JP2728502B2 - Optical integrated circuit and optical device - Google Patents

Optical integrated circuit and optical device

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JP2728502B2
JP2728502B2 JP1141015A JP14101589A JP2728502B2 JP 2728502 B2 JP2728502 B2 JP 2728502B2 JP 1141015 A JP1141015 A JP 1141015A JP 14101589 A JP14101589 A JP 14101589A JP 2728502 B2 JP2728502 B2 JP 2728502B2
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grating coupler
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信あるいは光ディスク記録装置等のオ
プトエレクトロニクス機器に用いる光集積回路及び光学
装置に係り、特に光源として半導体レーザを用いた場
合、光源の波長変動によって生じる各種の収差を補正し
た光集積回路及び光学装置に関するものである。
The present invention relates to an optical integrated circuit and an optical device used for an optical communication or an optoelectronic device such as an optical disk recording device, particularly when a semiconductor laser is used as a light source. The present invention relates to an optical integrated circuit and an optical device in which various aberrations caused by a wavelength variation of a light source are corrected.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光通信システムや光情報処理などの分野に使用される
光部品は、従来、レンズ,プリズム,グレーティングな
どのバルク部品を、機械的に組合せることによって構成
していた。したがって、上記光部品は外形寸法が大きく
て小形化の要請に適応できず、コストが高価であり、あ
るいはまた、機械的な結合により組合せているため、長
時間の使用に対する安全性に欠け、信頼性が劣るという
種々の問題がある。そのため、近年、1つの基板上に複
数個の素子を集積化した光集積回路(光IC)の概念が導
入され、光部品の大幅な小形化および低コスト化が検討
されている。すなわち、光ICは1つの基板上に受・発光
素子や導波路形(薄膜形)のレンズやグレーティングな
どの集積化して光部品を構成するものである。
2. Description of the Related Art Optical components used in fields such as optical communication systems and optical information processing have conventionally been constructed by mechanically combining bulk components such as lenses, prisms, and gratings. Therefore, the above optical components have large external dimensions and cannot meet the demand for miniaturization, are expensive, or are combined by mechanical coupling. There are various problems that the properties are inferior. Therefore, in recent years, the concept of an optical integrated circuit (optical IC) in which a plurality of elements are integrated on one substrate has been introduced, and significant miniaturization and cost reduction of optical components have been studied. That is, the optical IC is an optical component that is formed by integrating a light receiving / emitting element, a waveguide type (thin film type) lens, a grating, and the like on one substrate.

光ICの構成素子としては、グレーティングカップラが
る。これは光導波路に形成される導波路型回折格子であ
り、光導波路に光を入射させたり、光導波路外に光を出
射させたりする機能をもった素子であり、光ICのキーと
なる素子の一つである。
As a component of the optical IC, there is a grating coupler. This is a waveguide type diffraction grating formed in an optical waveguide, and has the function of making light incident on the optical waveguide and emitting light out of the optical waveguide. one of.

上記したグレーティングカップラとしては、J.H.Harr
is,et al. Theory and Design of Periodic Cou
plers,Appl.Opt.,11,10(1972)、T.Tamir and S.T.P
eng,Analysis and Design of Grating Couplers,A
ppl.Phys.,14,(1977)等にその具体的な設計方法が論
じられている。また、グレーティングカップラを用いて
光IC化した光学部品としては、特開昭61−85641号,特
開昭61−296540号公報に光ディスク装置用光ヘッドとし
ての適用例が述べられている。
The grating coupler mentioned above is JHHarr
is, et al.Theory and Design of Periodic Cou
plers, Appl. Opt., 11, 10 (1972), T. Tamir and STP
eng, Analysis and Design of Grating Couplers, A
Ppl. Phys., 14, (1977) discusses the specific design method. Further, as an optical component which is made into an optical IC by using a grating coupler, JP-A-61-85641 and JP-A-61-296540 describe examples of application as an optical head for an optical disk device.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来技術において、光源として半導体レーザを用
いた場合、以下のような問題点がある。すなわち、半導
体レーザはその放出する光の波長が動作温度や、半導体
レーザを製造するときの製造工程のばらつきにより変化
するのが一般的である。したがって、放出する波長が単
一でない場合の第一の問題は、グレーティングカップラ
により光導波路に入射可能な入射角が変化し、入射結合
効率が低下する問題があった。また、グレーティングカ
ップラを出射側に用いた場合、上記と同様に出射角が変
化する問題があった。
In the above prior art, when a semiconductor laser is used as a light source, there are the following problems. That is, the wavelength of light emitted from a semiconductor laser generally changes due to an operating temperature or a variation in a manufacturing process when manufacturing the semiconductor laser. Therefore, the first problem in the case where the emitted wavelength is not a single wavelength is that the incident angle that can be incident on the optical waveguide is changed by the grating coupler, and the incident coupling efficiency is reduced. Further, when the grating coupler is used on the emission side, there is a problem that the emission angle changes in the same manner as described above.

第二の問題は、集光グレーティングカップラとして不
等間隔曲線形状のグレーティングカップラを光ヘッドの
対物レンズとして用いた場合、光ディスク媒体に記録さ
れた高密度の情報を詠み出すために、焦点における光の
スポットサイズを回折限界近くに絞り込む必要がある。
そこで、レンズのNA(レンズの直径/焦点距離)は0.45
以上が要求される。しかし、上記した従来の集光グレー
ティングカップラの場合、NAを0.45とするとき、レーザ
光の波長ずれをΔλとすると、|Δλ|=9.8×10-4
厳しい値が要求される。また、レーザ光の光軸からのず
れδ、導波光の実効屈折率のずれΔNはそれぞれ以下の
値が要求される。
The second problem is that when a grating coupler having an irregularly-spaced curve shape is used as an objective lens of an optical head as a condensing grating coupler, the light at the focal point needs to be exposed in order to express high-density information recorded on an optical disk medium. It is necessary to narrow the spot size close to the diffraction limit.
Therefore, the lens NA (lens diameter / focal length) is 0.45.
The above is required. However, in the case of the conventional condensing grating coupler described above, when the NA is 0.45 and the wavelength shift of the laser beam is Δλ, a severe value of | Δλ | = 9.8 × 10 −4 is required. The following values are required for the deviation δ from the optical axis of the laser beam and the deviation ΔN of the effective refractive index of the guided light, respectively.

|δ| =6.9×10-4 |ΔN|=9.8×10-4 これらの値は、極めて厳しく実用化レベルでない。特
に、δが小さいため、導波光と垂直に表面弾性波を伝播
させ、弾性波により光を光軸から左右に偏向させること
により、高速アクセスを実現する集積化光ピックアップ
には適用できない欠点があった。
| Δ | = 6.9 × 10 −4 | ΔN | = 9.8 × 10 −4 These values are extremely severe and not on a practical level. In particular, since δ is small, the surface acoustic wave propagates perpendicularly to the guided light, and the elastic wave deflects the light left and right from the optical axis. Was.

第三の問題は、上記した従来の光IC化された光ヘッド
において、光ディスクからの信号を検出するビームスプ
リッタが、いわゆるコプレーナの光学素子として構成さ
れているため、受容角(光が素子に本来の入射角よりず
れて入射しても素子特性の劣化が小さく、許容できる入
射角のずれの大きさ)が小さく、焦点誤差信号の検出範
囲が狭く、フォーカシングサーボが働く範囲が狭く限定
されると共に、レーザ光の波長変動に対する特性劣化が
大きい、いわゆる色収差が大きいという課題があった。
The third problem is that, in the above-mentioned conventional optical head formed as an optical IC, since the beam splitter for detecting a signal from the optical disk is configured as a so-called coplanar optical element, the acceptance angle (where light originally , The deterioration of the element characteristics is small even if the incident angle is shifted from the incident angle, the allowable deviation of the incident angle is small, the detection range of the focus error signal is narrow, and the range in which the focusing servo operates is limited. In addition, there is a problem that the characteristic deterioration with respect to the wavelength fluctuation of the laser beam is large, that is, the so-called chromatic aberration is large.

第四の問題は、上記従来の光ヘッドは光ディスクが上
記光ヘッドに対して平行でない場合、光ディスク面で反
射した光が再び光導波路に導かれたときの光軸がビーム
スプリッタの中心軸とずれるため、トラッキング誤差検
出信号にオフセットが発生するという課題があった。
A fourth problem is that when the optical disk is not parallel to the optical head, the optical axis of the conventional optical head is shifted from the central axis of the beam splitter when light reflected on the optical disk surface is guided again to the optical waveguide. Therefore, there is a problem that an offset occurs in the tracking error detection signal.

本発明の第1の目的は、マルチモードの半導体レーザ
光を用いた場合でも、特性の変動が少なく、かつ光利用
効率の高い光集積回路を提供することにある。
A first object of the present invention is to provide an optical integrated circuit having a small variation in characteristics and high light use efficiency even when a multi-mode semiconductor laser beam is used.

本発明の第2の目的は、導波光を表面弾性波により光
軸から左右に高速に偏向させることができて、高速アク
セスが可能な光ピックアップ、すなわち、光情報読み出
し装置を提供することにある。本発明の第3の目的はレ
ーザ光の波長変動がある場合にも有効に動作し、広範囲
にフォーカシングサーボが有効に働く改良された光ヘッ
ドを提供することにあり、第4の目的は光ディスクが傾
いて光ヘッドに対し平行でない場合等において問題にな
るトラッキング誤差検出信号のオフセットを低減するこ
とにある。
A second object of the present invention is to provide an optical pickup that can deflect guided light from the optical axis to the left and right at high speed by surface acoustic waves, and that can access at high speed, that is, to provide an optical information reading device. . A third object of the present invention is to provide an improved optical head which operates effectively even when the wavelength of the laser beam fluctuates and a focusing servo is effectively used in a wide range. An object of the present invention is to reduce an offset of a tracking error detection signal, which becomes a problem when the optical head is inclined and not parallel to the optical head.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的は、半導体レーザを光源とし、半導体レーザ
の出射光を光導波路に入射させる光集積回路において、
ブレーズ化されたレーザ光入射用グレーティングカップ
ラのブレーズ角が下式を満たす角度であることを特徴と
する。
The above object is to provide an optical integrated circuit in which a semiconductor laser is used as a light source and light emitted from the semiconductor laser is incident on an optical waveguide.
The blaze angle of the blazed laser beam incident grating coupler satisfies the following expression.

N cos αBA=ns(sin A0sin αBA+cos A0 cos αBA) αBA:レーザ光入射用グレーティングカップラのブレー
ズ角 A0:グレーティングカップラへのレーザ光の入射角 N:光導波路の実効屈折率 ns:光集積回路基板の屈折率 また、半導体レーザ光を光源とし、光導波路内に導波
されたレーザ光をグレーティングカップラにより出射さ
せる光集積回路において、ブレーズ化されたレーザ光の
出射用グレーティングカップラのブレーズ角が下式を満
たす角度であることを特徴とする。
N cos α BA = n s (sin A 0 sin α BA + cos A 0 cos α BA ) α BA : Blaze angle of the grating coupler for laser beam incidence A 0 : Incident angle of the laser beam on the grating coupler N: Optical waveguide Effective refractive index n s : Refractive index of optical integrated circuit board Also, in an optical integrated circuit in which semiconductor laser light is used as a light source and laser light guided in the optical waveguide is emitted by a grating coupler, The blaze angle of the emission grating coupler is an angle satisfying the following expression.

N cos αBA′=ns(sin α0sin αBA′+cos α0 cos αBA′) αBA′:レーザ光入射用グレーティングカップラのブレ
ーズ角 α0:グレーティングカップラへのレーザ光の入射角 N:光導波路の実効屈折率 ns:光集積回路基板の屈折率 さらに、光源として半導体レーザ、半導体レーザから
の放射光を平行光に変換するコリメータレンズ、音響光
学効果を有する誘電体基板上に形成した光導波路、該光
導波路に光を入射させるためのグレーティングカップ
ラ、光導波路上に形成した表面弾性波を利用した光偏向
器、偏向光を光導波路から出射させるためのグレーティ
ングカップラ、半導体レーザ光源の波長変動を補正する
ための収差補正グレーティング、光ディスク上に光を集
光するフォーカシング機構を備えたレンズうを有する光
学装置において、前記光ディスクからの反射光を基板底
面に形成した切欠き部を介して検出する光検出器を備え
たことを特徴とする。
N cos α BA '= ns (sin α 0 sin α BA ' + cos α 0 cos α BA ') α BA ': Blaze angle of grating coupler for laser beam incidence α 0 : Incident angle of laser light to grating coupler N : Effective refractive index of optical waveguide n s : Refractive index of optical integrated circuit board Further, as a light source, a semiconductor laser, a collimator lens for converting the light emitted from the semiconductor laser into parallel light, formed on a dielectric substrate having an acousto-optic effect Optical waveguide, a grating coupler for making light incident on the optical waveguide, an optical deflector using surface acoustic waves formed on the optical waveguide, a grating coupler for emitting deflected light from the optical waveguide, and a semiconductor laser light source. In an optical device having an aberration correction grating for correcting wavelength fluctuation and a lens provided with a focusing mechanism for condensing light on an optical disc, The reflected light from the optical disk characterized by comprising an optical detector for detecting via the cutout portion formed on the bottom surface of the substrate.

〔作用〕[Action]

本発明の作用効果の一例を第1図を用いて説明する。
本発明の効果は、第1図の6に示した収差補正用グレー
ティングにより達成される。すなわち第1図において、
半導体レーザ光の波長がλ(0)からλ(1)に変化し
た場合(λ(0)>λ(1))、グレーティングカップ
ラへの入射角はλ(0),λ(1)に対応したα
(0),α(1)の場合のみ光導波路へ光の強い結合が
おきる。ここで、収差補正グレーティングがない場合、
波長が変化してもグレーティングカップラへの入射角は
変化しないため、入射結合効率が低下する。そこで収差
補正用グレーティングを設置し、その格子間隔D,傾斜角
δを補正化する。その結果、波長λ(0)とλ(1)の
光に対して、収差補正用グレーティング6からの回折角
をある特定の角度γ(0)とγ(1)に設定することが
できる。なお、γ(0)とγ(1)は基板との界面で屈
折し、それぞれグレーティングカップラへの入射角α
(0),α(1)となる。したがって、半導体レーザ光
の波長が変化してもグレーティングカップラへの入射角
をλ(0)とλ(1)に対応したα(0)とα(1)に
することができ、レーザ光の波長変動に伴う入射結合効
率の低下を防ぐことができる。また、色収差などの収差
についても防ぐことができる。ここで、λ(0)〜λ
(1)の光のうち少なくとも1つの波長に対して収差補
正用グレーティング6がBragg条件を満たすか、またはB
ragg条件近傍で回折がおこるようにDを定めることが強
度の高い光を得るために重要であり、本発明のポイント
の一つでもある。
An example of the operation and effect of the present invention will be described with reference to FIG.
The effect of the present invention is achieved by the aberration correcting grating shown in FIG. That is, in FIG.
When the wavelength of the semiconductor laser light changes from λ (0) to λ (1) (λ (0)> λ (1)), the incident angles to the grating coupler correspond to λ (0) and λ (1). α
Only in the case of (0) and α (1), strong coupling of light to the optical waveguide occurs. Here, when there is no aberration correction grating,
Since the angle of incidence on the grating coupler does not change even if the wavelength changes, the incident coupling efficiency decreases. Therefore, an aberration correcting grating is provided, and the grating interval D and the inclination angle δ are corrected. As a result, the diffraction angles from the aberration correction grating 6 can be set to specific angles γ (0) and γ (1) with respect to the light having the wavelengths λ (0) and λ (1). Note that γ (0) and γ (1) are refracted at the interface with the substrate, and the incident angles α to the grating coupler are respectively
(0), α (1). Therefore, even if the wavelength of the semiconductor laser light changes, the angle of incidence on the grating coupler can be set to α (0) and α (1) corresponding to λ (0) and λ (1), and the wavelength of the laser light It is possible to prevent the incident coupling efficiency from decreasing due to the fluctuation. Also, aberrations such as chromatic aberration can be prevented. Here, λ (0) to λ
The aberration correction grating 6 satisfies the Bragg condition for at least one wavelength of the light of (1), or
Defining D so that diffraction occurs near the ragg condition is important for obtaining high-intensity light, and is one of the points of the present invention.

〔実施例1〕 つぎに本発明の実施例を図面とともに更に具体的に説
明する。
Example 1 Next, an example of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.

第1図において、基板1としてLiNbO3結晶を用い、基
板表面近傍に基板よりも屈折率が若干高い光導波路2及
びグレーティングカップラ3を形成する。次に、半導体
レーザ4の出射光を基板1に対して平行に入射するため
のガラスブロック5及び5′と前記ガラスブロック5,
5′の間に収差補正用グレーティング6を介在させる。
In FIG. 1, a LiNbO 3 crystal is used as a substrate 1, and an optical waveguide 2 and a grating coupler 3 having a refractive index slightly higher than that of the substrate are formed near the substrate surface. Next, glass blocks 5 and 5 'for allowing the emitted light of the semiconductor laser 4 to be incident on the substrate 1 in parallel to the glass blocks 5, 5'.
An aberration correction grating 6 is interposed between 5 '.

次に、第1図に示した本発明による光集積回路の動作
について説明する。第1図において、グレーティングカ
ップラ3は直線等間隔の回折格子であり、その格子間隔
をΛ,光導波路2の実効屈折率をN,基板1の屈折率を
ns,半導体レーザ4の波長をλ,グレーティングカップ
ラ3へのレーザ光の入射角をαとすると、 なる関係により、入射角αは波長λに対して一義的に決
定される。そこで、本発明では半導体レーザ4の波長が
変化しても入射結合効率の低下などを防止するための収
差補正用グレーティング6を設ける。すなわち、半導体
レーザ4の波長がλ(0)からλ(1)に変化した場合
(λ(0)>λ(1))、収差補正用グレーティング6
の格子間隔D,傾斜角δを補正化する。その結果、波長λ
(0)とλ(1)の光に対して収差補正用グレーティン
グ6からの回折角をある特定の角度γ(0)とγ(1)
に設定することができる。そこで半導体レーザ4の波長
が変化してもグレーティングカップラの入射角をλ
(0)とλ(1)に対応したα(0)とα(1)にする
ことができ、レーザ光の波長変動に伴う入射結合効率の
低下及び色収差などの収差を防ぐことができる。次に、
収差補正用グレーティング6の格子間隔D,傾斜角δの具
体例を述べる。
Next, the operation of the optical integrated circuit according to the present invention shown in FIG. 1 will be described. In FIG. 1, a grating coupler 3 is a linearly-spaced diffraction grating. The grating interval is Λ, the effective refractive index of the optical waveguide 2 is N, and the refractive index of the substrate 1 is
Assuming that n s , the wavelength of the semiconductor laser 4 is λ, and the incident angle of the laser beam on the grating coupler 3 is α, According to the relationship, the incident angle α is uniquely determined with respect to the wavelength λ. Therefore, in the present invention, an aberration correction grating 6 is provided to prevent a decrease in the coupling efficiency even if the wavelength of the semiconductor laser 4 changes. That is, when the wavelength of the semiconductor laser 4 changes from λ (0) to λ (1) (λ (0)> λ (1)), the aberration correcting grating 6
, The lattice spacing D and the inclination angle δ are corrected. As a result, the wavelength λ
The diffraction angles of the light of (0) and λ (1) from the aberration correction grating 6 are given angles γ (0) and γ (1).
Can be set to Therefore, even if the wavelength of the semiconductor laser 4 changes, the incident angle of the grating coupler is changed to λ.
Α (0) and α (1) corresponding to (0) and λ (1) can be obtained, and it is possible to prevent the incidence coupling efficiency from decreasing due to the wavelength fluctuation of the laser beam and aberrations such as chromatic aberration. next,
A specific example of the grating interval D and the inclination angle δ of the aberration correcting grating 6 will be described.

まずDは、波長λ(0)の光が収差補正用グレーティ
ング6によりBragg条件、もしくはBragg条件近傍で回折
されるよう(2),(3)式を満たすような条件とす
る。
First, D is set to a condition that satisfies the equations (2) and (3) so that the light having the wavelength λ (0) is diffracted by the aberration correcting grating 6 at or near the Bragg condition.

β(0)≒γ(0) ……(3) β(0):波長λ(0)での回折格子に対する入射角 γ(0):波長λ(0)での回折格子に対する出射角 また波長λ(1)の光がBragg条件の近傍で回折され
るように(4)式を満たす条件とする。
β (0) ≒ γ (0) (3) β (0): incidence angle with respect to the diffraction grating at wavelength λ (0) γ (0): emission angle with respect to the diffraction grating at wavelength λ (0) and wavelength The condition satisfying the expression (4) is set so that the light of λ (1) is diffracted near the Bragg condition.

β(1):波長λ(1)での回折格子に対する入射角
(β(0)=β(1)) γ(1):波長λ(1)での回折格子に対する出射角 さらに下記の条件(5)〜(12)式が満たされるよう
にD,δ,θを定める。
β (1): incidence angle with respect to the diffraction grating at the wavelength λ (1) (β (0) = β (1)) γ (1): emission angle with respect to the diffraction grating at the wavelength λ (1) D, δ, θ are determined so that the expressions 5) to (12) are satisfied.

γ(0)=α(0)−θ−δ+π …(11) γ(1)=α(1)−θ−δ+π …(12) α(0):λ(0)でのグレーティングカップラへの
入射角 α(1):λ(1)でのグレーティングカップラへの
入射角 α(0):λ(0)でのガラスブロックから基板への
屈折角 α(1):λ(1)でのガラスブロックから基板の屈
折角 α(0):λ(0)での基板への入射角 α(1):λ(1)での基板への入射角 Λ:グレーティングカップラの格子間隔 D :収差補正用グレーティング6の格子間隔 θ:基板端面の切断角 δ:収差補正用グレーティング6の傾き m :収差補正用のグレーティング6で回折された
光の回折次数であり、−1とする。
γ (0) = α 2 (0) −θ−δ + π (11) γ (1) = α 2 (1) −θ−δ + π (12) α 0 (0): grating coupler at λ (0) incidence angle alpha 0 to (1): λ (1) an incident angle alpha 1 of the grating coupler in the (0): lambda refraction angle from the glass block to the substrate in (0) α 1 (1) : λ ( Angle of refraction of the substrate from the glass block in 1) α 2 (0): Angle of incidence on the substrate at λ (0) α 2 (1): Angle of incidence on the substrate at λ (1) Λ: Grating coupler Lattice spacing D: Lattice spacing of aberration correcting grating 6 θ: Cutting angle of substrate end face δ: Slope of aberration correcting grating 6 m: Diffraction order of light diffracted by aberration correcting grating 6, I do.

N :光導波路2の実効屈折率 ns:基板1の屈折率 nP:ガラスブロックの屈折率 第2図は本発明で用いる収差補正用グレーティング6
の好ましい断面形状を示したものであり、強度の高い回
折光を得るためにはすでに述べたBragg条件を満たす形
状の回折格子を用いることが望ましい。
N: the optical waveguide 2 of the effective refractive index n s: the refractive index n P of the substrate 1: Figure 2 the refractive index of the glass block used in the present invention the aberration correcting grating 6
In order to obtain high intensity diffracted light, it is desirable to use a diffraction grating having a shape that satisfies the Bragg condition described above.

以上述べた条件を満たす回折格子の具体的な一例とし
ては、λ(0)が0.78μm,λ(1)が0.776μmの半導
体レーザを用い、ns=2.2,N=2.29のLiNbO3結晶を用い
たTi拡散光導波路を用い、その上にΛ=4μmのグレー
ティングカップラを形成し、基本のレーザ光入射端面に
nP=1.45のBK−7製のガラスブロックを貼り付けた場
合、θは約56度、δは約100度、Dは約1,6μmとなる。
この場合回折格子に対するλ(0),λ(1)の光の入
射角は等しいが出射角の差は約0.1度となり、それぞれ
の波長で光導波路への結合条件を満たす角度α
(0),α(1)で入射する。この場合回折光(収
差補正用グレーティング6の出射光)の効率は、Tを約
11μmとすることにより、90%以上となる。
As a specific example of a diffraction grating that satisfies the conditions described above, a semiconductor laser having λ (0) of 0.78 μm and λ (1) of 0.776 μm is used, and a LiNbO 3 crystal having n s = 2.2 and N = 2.29 is used. Using the Ti diffused optical waveguide used, a grating coupler of Λ = 4 μm is formed on it, and the basic laser light incident end face
When a glass block made of BK-7 with n P = 1.45 is attached, θ is about 56 degrees, δ is about 100 degrees, and D is about 1.6 μm.
In this case, the incident angles of the light of λ (0) and λ (1) with respect to the diffraction grating are equal, but the difference between the outgoing angles is about 0.1 degree, and the angle α satisfying the coupling condition to the optical waveguide at each wavelength.
0 (0) and α 0 (1). In this case, the efficiency of the diffracted light (the light emitted from the aberration correcting grating 6) is about T
By setting it to 11 μm, it becomes 90% or more.

なお、上記した収差補正用グレーティング6の一例と
して、基板としてBK−7ガラス8を用い、その上にSiO2
をCVD法などの公知の成膜法で約11μm形成し、公知の
ホトリソグラフィによりSiO2層を所定形状に微細加工多
した。次に、BK−7製のガラスブロック5,5′と上記回
折格子6をBK−7とほぼ同じ屈折率をもつ接着剤で貼り
合わせ、上記したSiO29と接着剤で周期構造を形成させ
ることにより、収差補正用グレーティング6として機能
させる。
Note that, as an example of the above-described aberration correcting grating 6, BK-7 glass 8 is used as a substrate, and SiO 2
Was formed to a thickness of about 11 μm by a known film forming method such as a CVD method, and the SiO 2 layer was finely processed into a predetermined shape by known photolithography. Then, BK-7 made of glass blocks 5, 5 'of the diffraction grating 6 bonded with an adhesive having substantially the same refractive index as BK-7, to form a periodic structure in SiO 2 9 and the adhesive agent described above This allows the grating to function as the aberration correcting grating 6.

本発明で用いる回折格子の形態としては、第1図,第
2図に示したような透過型回折格子の他に第3図に示す
ような反射膜10を設けた反射型回折格子がある。
As a form of the diffraction grating used in the present invention, there is a reflection type diffraction grating provided with a reflection film 10 as shown in FIG. 3 in addition to the transmission type diffraction grating as shown in FIG. 1 and FIG.

第4図は、本発明の一実施例を示し、光ディスク装置
に用いる光ヘッドとして有効な光ICである。第4図にお
いて、半導体レーザ4から出射した光はコリメートレン
ズ11,ガラスブロック5,収差補正用グレーティング6を
介して基板1側からグレーティングカップラ3に入射
し、光導波器2に導波される。導波光7は光導波路2上
に形成した表面弾性波(SAW)を利用した光偏向器12で
偏向され、出射側のグレーティングカップラ3′で再び
基板内に出射され、収差補正グレーティング6′で回折
しガラスブロック13で光路を垂直に変換した後、対物レ
ンズ14で光ディスク15上の一点に集光される。一方、光
ディスク15からの反射光は再び同一経路をたどり、出射
側のグレーティングカップラ3′で光導波路2に導波さ
れ、光偏向器12を通過し、光導波路2上に形成した集光
ビームスプリッタ16により2分割するとともに基板側に
出射され、かつガラスブロック5の端面に設けたホトダ
イオード17,17′の受光面の一点に集光され、光ディス
ク15からの信号を検出する。
FIG. 4 shows an embodiment of the present invention, which is an optical IC effective as an optical head used in an optical disk device. In FIG. 4, the light emitted from the semiconductor laser 4 enters the grating coupler 3 from the substrate 1 side via the collimator lens 11, the glass block 5, and the aberration correcting grating 6, and is guided to the optical waveguide 2. The guided light 7 is deflected by an optical deflector 12 utilizing a surface acoustic wave (SAW) formed on the optical waveguide 2, is emitted again into the substrate by a grating coupler 3 'on the emission side, and is diffracted by an aberration correction grating 6'. After the optical path is changed vertically by the glass block 13, the light is focused on a point on the optical disk 15 by the objective lens 14. On the other hand, the reflected light from the optical disk 15 follows the same path again, is guided to the optical waveguide 2 by the exit-side grating coupler 3 ', passes through the optical deflector 12, and is formed on the optical waveguide 2 by the condensing beam splitter. The light is divided into two by 16 and emitted to the substrate side, and is focused on one point of the light receiving surface of the photodiodes 17 and 17 ′ provided on the end face of the glass block 5, and the signal from the optical disk 15 is detected.

以下に第4図の光ICの製造方法及び作用の詳細につい
て説明する。第4図の光ICの製造方法について、まずグ
レーティングカップラ3,3′や集光ビームスプリッタ16
などの各種導波路型光学素子に関して第5図を用いて説
明する。第5図において基板1として光学研磨したLiNb
O3結晶を用い、Tiをスパッタリングにより24nm堆積さ
せ、熱拡散を行って光導波路2を形成した。上記スパッ
タリングの条件は、高周波パワー300W,アルゴンガス圧
0.35Pa,スパッタ速度0.4nm/secである。熱拡散は電気炉
を用いて、1000℃に加熱しアルゴンガス雰囲気中で2時
間、続いて酸素ガスを0.5時間流して行った。ここで光
導波路の表面屈折率はnf=2.22となり等価屈折率N=2.
209のTE単一モード光導波路であった。なお光導波路2
はプロトン交換法によって作製してもよい。光導波路2
上に形成するバッファ層18は次に形成するグレーティン
グ層の剥離やクラックなどの発生を防止するものであ
り、コーニング社7059ガラスをスパッタリングにより10
nm形成した。スパッタ条件は高周波パワー100W,アルゴ
ンガス圧0.35Pa,スパッタ速度0.2nm/secである。バッフ
ァ層上にグレーティング層3としてTiO2を反応性スパッ
タリングにより100nm形成した。スパッタ条件は、TiO2
ターゲットを用いてスパッタガスとしてアルゴンと酸素
を用い、O2とArの流量比0.7,スパッタガス圧力0.42Pa,
高周波パワー500W,スパッタ速度0.1nm/secである。次に
グレーティング層3およびバッファ層18を所定の導波路
型光学素子の形状に微細加工するために、グレーティン
グ層3上にレジスト19を回転塗布法により形成した。こ
こではレジスト19として電子線レジストであるクロルメ
チル化ポリスチレン(CMS−EXR:東洋ソーダ製)を用
い、厚さ0.5μmとした。上記レジストを130℃で20分間
プリベークしたのち、電子ビーム20を所定のグレーティ
ング層形状に照射した。照射条件は、電子ビーム径0.1
μm,照射量16μc/cm2とした。電子ビーム露光後に現像
を行いレジスト製のマスクを形成した。その後イオンエ
ッチングによりグレーティング層3およびバッファ層18
を微細加工した。イオンエッチングの条件は、エッチン
グガスとしてCF4を用い、圧力3.8Pa,高周波パワー200W,
エッチング時間15minとした。エッチングの後レジスト
製マスクを除去してグレーティングカップラ3,3′や集
光ビームスプリッタ16などの各種導波路型光学素子が形
成できた。次に、SAW光偏向器12は真空蒸着法によりAl
膜を100nm蒸着し、所定のくし形電極に微細加工した。
なお、上記加工はリフトオフ法を用いた。電極の仕様は
中心波長14μm,中心周波数250MHz,対数2である。次に
6の収差補正用グレーティングに関しては、基板8とし
てBK−7ガラスを用い、その上にSiO29を約11μm,SiCl4
とO2を原料としたCVD法もしくは蒸着法,スパッタリン
グ等によって形成した。次にSiO29をホトリソグラフィ
により所定の格子形状に加工するために、上記した各種
導波路型光学素子と同様にホトレジスト(OFPR800)を
1μm回転塗布法により形成した。上記レジストを85℃
で30分間プリベークした後、所定の格子形状を描いたホ
トマスクにより、UV露光装置を用いて密着露光した。露
光後クロルベンゼン中で40℃で5分間浸漬処理を行った
後現像した。レジスト製の格子パターン上へCrを蒸着
し、アセトン中で超音波洗浄を行ってレジストを除去し
Cr製のマスクを形成した。その後CF4ガスを用いたイオ
ンエッチングによりSiO2を微細加工し、Crを除去して格
子パターンが形成できた。このホトリソグラフィ技術は
前述のグレーティング層およびバッファ層の微細加工に
も応用することができる。上記の素子を形成した基板1,
収差補正用グレーティング6,6′及びBK−7製のガラス
ブロック5,5′はそれぞれの端面を所定の角度で切断,
研磨してBK−7とぼ同じ屈折率をもつ接着剤で貼り合わ
され、半導体レーザ4及びホトダイオード17,17′を端
面結合して第4図の光ICを形成した。次に第4図の光IC
の作用について説明する。半導体レーザ4からの出射光
(波長0.776〜0.78μm)は、コリメートレンズ11で平
行光に変換され収差補正用グレーティング6により回折
され、さらに基板1の界面で屈折し、波長及びグレーテ
ィングカップラの格子間隔に応じて第(10),(11)式
に従って光導波路2に導波される。導波光7は、SAW光
偏向器12により偏向されてグレーティングカップラ3′
に入射し、波長及びグレーティングカップラの格子間隔
に応じて第(10),(11)式に従って基板内に出射され
る。基板内に出射された光は収差補正用グレーティング
6′により回折されガラスブロック13端面で反射されて
上方に出射され光ディスク15に対して垂直に移動する機
構を有したレンズ14で集光されて光ディスク15のピット
(情報)に集光される。光ディスク15により反射された
光は、レンズ14,ガラスブロック13,収差補正用グレーテ
ィング6′を通りグレーティングカップラ3′により再
び光導波路2に入射した後、集光ビームスプリッタ16に
入射することによって2分割されるとともに2分割ホト
ダイオード17,17′上に集光されてビットの情報が読み
取られる。
Hereinafter, a method of manufacturing the optical IC of FIG. 4 and details of its operation will be described. First, regarding the manufacturing method of the optical IC shown in FIG. 4, first, the grating couplers 3, 3 'and the condensing beam splitter 16 are used.
Various types of waveguide type optical elements will be described with reference to FIG. In FIG. 5, LiNb optically polished as the substrate 1
Using an O 3 crystal, Ti was deposited to a thickness of 24 nm by sputtering, and thermal diffusion was performed to form an optical waveguide 2. The sputtering conditions were as follows: high frequency power 300W, argon gas pressure
0.35 Pa, sputtering rate 0.4 nm / sec. The thermal diffusion was performed by using an electric furnace, heating to 1000 ° C., flowing an argon gas atmosphere for 2 hours, and subsequently flowing an oxygen gas for 0.5 hours. Here, the surface refractive index of the optical waveguide is n f = 2.22, and the equivalent refractive index N = 2.
209 TE single mode optical waveguides. Optical waveguide 2
May be prepared by a proton exchange method. Optical waveguide 2
The buffer layer 18 formed on the top is for preventing peeling and cracking of the grating layer to be formed next, and is used for sputtering Corning 7059 glass by sputtering.
nm formed. The sputtering conditions were a high frequency power of 100 W, an argon gas pressure of 0.35 Pa, and a sputtering rate of 0.2 nm / sec. TiO 2 was formed as a grating layer 3 on the buffer layer by reactive sputtering to a thickness of 100 nm. The sputtering conditions were TiO 2
Using argon and oxygen as sputtering gas with a target, O 2 and Ar flow ratio 0.7, sputtering gas pressure 0.42 Pa,
The high frequency power is 500 W and the sputtering speed is 0.1 nm / sec. Next, in order to finely process the grating layer 3 and the buffer layer 18 into a predetermined waveguide type optical element, a resist 19 was formed on the grating layer 3 by a spin coating method. Here, chloromethylated polystyrene (CMS-EXR: manufactured by Toyo Soda), which is an electron beam resist, was used as the resist 19, and had a thickness of 0.5 μm. After pre-baking the resist at 130 ° C. for 20 minutes, an electron beam 20 was applied to a predetermined grating layer shape. Irradiation condition is electron beam diameter 0.1
μm and the irradiation amount was 16 μc / cm 2 . After the electron beam exposure, development was performed to form a resist mask. Thereafter, the grating layer 3 and the buffer layer 18 are formed by ion etching.
Was finely processed. The conditions of the ion etching were as follows: CF 4 was used as an etching gas, pressure 3.8 Pa, high frequency power 200 W,
The etching time was 15 minutes. After etching, the resist mask was removed, and various waveguide-type optical elements such as the grating couplers 3 and 3 'and the converging beam splitter 16 were formed. Next, the SAW optical deflector 12 is made of Al by vacuum evaporation.
The film was deposited to a thickness of 100 nm and finely processed into a predetermined comb-shaped electrode.
In addition, the said process used the lift-off method. The specifications of the electrodes are a center wavelength of 14 μm, a center frequency of 250 MHz, and a logarithm of 2. Next, with regard to the aberration correcting grating of No. 6, BK-7 glass was used as the substrate 8, and SiO 2 9 was coated thereon with about 11 μm and SiCl 4.
It was formed by CVD or vapor deposition using sputtering and O 2 as raw materials, sputtering, or the like. Next, in order to process the SiO 2 9 into a predetermined lattice shape by photolithography, was similar to the various waveguide type optical element having the above-described photoresist to (OFPR 800) is formed by 1μm spin coating. 85 ℃ above resist
After pre-baking for 30 minutes, exposure was performed in close contact with a photomask depicting a predetermined lattice shape using a UV exposure apparatus. After the exposure, the film was immersed in chlorobenzene at 40 ° C. for 5 minutes and developed. Cr is vapor-deposited on the grid pattern made of resist, and ultrasonic cleaning is performed in acetone to remove the resist.
A Cr mask was formed. Thereafter, SiO 2 was finely processed by ion etching using CF 4 gas, and Cr was removed to form a lattice pattern. This photolithography technique can also be applied to the above-described fine processing of the grating layer and the buffer layer. The substrate 1, on which the above-described elements are formed,
Gratings 6, 6 'for aberration correction and glass blocks 5, 5' made of BK-7 are cut at their respective end faces at a predetermined angle.
It was polished and bonded with an adhesive having a refractive index almost the same as that of BK-7, and the semiconductor laser 4 and the photodiodes 17, 17 'were end-face-bonded to form the optical IC shown in FIG. Next, the optical IC shown in Fig. 4
The operation of will be described. Light emitted from the semiconductor laser 4 (wavelength 0.776 to 0.78 μm) is converted into parallel light by the collimator lens 11, diffracted by the aberration correcting grating 6, further refracted at the interface of the substrate 1, and has a wavelength and a lattice spacing of the grating coupler. Is guided to the optical waveguide 2 according to the equations (10) and (11). The guided light 7 is deflected by the SAW light deflector 12, and is deflected by the grating coupler 3 '.
And exits the substrate according to the equations (10) and (11) according to the wavelength and the grating interval of the grating coupler. The light emitted into the substrate is diffracted by the aberration correcting grating 6 ', reflected by the end face of the glass block 13, emitted upward, and condensed by a lens 14 having a mechanism for moving vertically to the optical disk 15. Focused on 15 pits (information). The light reflected by the optical disk 15 passes through the lens 14, the glass block 13, and the aberration correcting grating 6 ', is incident on the optical waveguide 2 again by the grating coupler 3', and is then split into two by being incident on the converging beam splitter 16. At the same time, the light is condensed on the two-division photodiodes 17 and 17 ', and the bit information is read.

ここで収差補正用グレーティング6がない場合、半導
体レーザの波長が0.776〜0.78μmの範囲で変化したと
き、光導波路2へ最大の効率で結合がおきる角度が約0.
1度変化するが、グレーティングカップラ3への入射角
は常に一定であるため入射結合効率が低下する。これに
対し本発明の、格子ピッチDが約1.6μm,格子高さTが
約11μmの収差補正用グレーティング6を用いることに
より、波長に応じて異なる角度で回折し、最適な角度で
グレーティングカップラ3に入射し、高い入射結合効率
が得られる。
Here, in the case where the aberration correcting grating 6 is not provided, when the wavelength of the semiconductor laser changes in the range of 0.776 to 0.78 μm, the angle at which the coupling to the optical waveguide 2 occurs with the maximum efficiency is about 0.
Although it changes by one degree, the incidence coupling efficiency is reduced because the angle of incidence on the grating coupler 3 is always constant. On the other hand, by using the aberration correcting grating 6 of the present invention having the grating pitch D of about 1.6 μm and the grating height T of about 11 μm, the diffraction is performed at different angles depending on the wavelength, and the grating coupler 3 is formed at the optimum angle. And high incident coupling efficiency is obtained.

また、収差補正用グレーティング6′がない場合、半
導体レーザの波長が0.776〜0.78μmの範囲で変化した
とき、レンズ14への入射角は約0.1度異なり、スポット
装置はジッタ方向へ約8μmずれる。これに対し本発明
の、格子ピッチDが約2.5μm,格子高さTが約11μmの
収差補正用グレーティング6′を用いることにより、入
射角の差は0.01度以下になり、ジッタ方向へのスポット
位置変動も0.01μm以下になる。本発明の収差補正用グ
レーティング6′により光ディスク上のスポット位置変
動の波長依存性は大きく減少し、より正確な情報が読み
取れる光ヘッドとなる。
When the grating 6 'for aberration correction is not provided, when the wavelength of the semiconductor laser changes in the range of 0.776 to 0.78 µm, the incident angle to the lens 14 differs by about 0.1 °, and the spot device shifts by about 8 µm in the jitter direction. On the other hand, by using the aberration correcting grating 6 'of the present invention having the grating pitch D of about 2.5 μm and the grating height T of about 11 μm, the difference in the incident angle becomes less than 0.01 degree and the spot in the jitter direction becomes smaller. The position fluctuation also becomes 0.01 μm or less. The wavelength dependence of spot position fluctuation on the optical disk is greatly reduced by the aberration correcting grating 6 'of the present invention, and an optical head from which more accurate information can be read.

なお上記光ICを構成する材料としては、石英,SiO2
ガラス基板,誘電体結晶基板,SiO2系がガラス光導波
路,金属拡散光導波路,3や3′の素子形成材料として
は、カルコゲナイドガラス,TiO2,ZnO,ZnS,6の収差補正
用グレーティング形成材料としては、SiO2系ガラス,高
分子化合物,10のガラスブロック形成材料としては、SiO
2系ガラス等があり、一般的に光学素子や光導波路,薄
膜光学素子を形成するのに用いられる材料全般が使用で
き、これらの材料を用い、半導体を製造する場合に使用
するリソグラフィ技術,真空技術を用いることにより素
子が形成できる。また、上記した光IC化した光ヘッド
は、レーザビームプリンタ用光ヘッドとしても適用可能
である。
The material of the optical IC is quartz, SiO 2 glass substrate, dielectric crystal substrate, SiO 2 glass optical waveguide, metal diffusion optical waveguide, and chalcogenide glass , TiO 2 , ZnO, ZnS, 6 As a material for forming a grating for aberration correction, SiO 2 glass, a polymer compound, and as a glass block forming material for 10, SiO 2
There are 2 types of glass, etc., and all materials generally used for forming optical elements, optical waveguides, and thin film optical elements can be used. Using these materials, lithography techniques used in the manufacture of semiconductors, vacuum An element can be formed by using the technique. Further, the above-described optical head formed into an optical IC can be applied as an optical head for a laser beam printer.

〔実施例2〕 第6図は本発明の第2の実施例を示すものである。Embodiment 2 FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.

同図において、1は誘電体またはガラスの基板、2は
基板1の第1主平面上に形成され、該基板1より高い屈
折率を有する光導波路、3′は該光導波路2上に形成さ
れた等間隔直線形状のグレーティングカップラ、7は光
導波路2内を伝搬する導波光、6′は収差補正用グレー
ティング、14は基板より出射した光を集光するレンズ、
21はレンズによる出射光の集束点(以下便宜上焦点とい
う)である。なお、導波光7は、コリメートされた平行
光である必要がある。
In the figure, 1 is a dielectric or glass substrate, 2 is formed on a first main plane of the substrate 1, an optical waveguide having a higher refractive index than the substrate 1, and 3 'is formed on the optical waveguide 2. Grating coupler having an evenly spaced linear shape, 7 is a guided light propagating in the optical waveguide 2, 6 'is a grating for correcting aberration, 14 is a lens for condensing light emitted from the substrate,
Reference numeral 21 denotes a focal point of light emitted from the lens (hereinafter referred to as a focal point for convenience). Note that the guided light 7 needs to be collimated parallel light.

ここで、光源のレーザ光の波長をλ,光導波路2の導
波光7に対する実効屈折率をN,基板1の屈折率をns,等
間隔直線形上のグレーティングカップラ3′の格子間隔
をΛとする。グレーティングカップラ3′を用い、m次
光を基板方向に基板表面とθの角度方向へ出射させるた
めには、 という条件を満たす必要がある。通常、回折光としては
−1次光を用いる。
Here, the wavelength of the laser light source lambda, the effective refractive index for the guided light 7 of the optical waveguide 2 N, an n s the refractive index of the substrate 1, the lattice spacing of the grating coupler 3 'on uniform linear form Λ And In order to emit m-order light in the direction of the substrate in the direction of the angle θ with respect to the substrate surface using the grating coupler 3 ′, It is necessary to satisfy the condition. Usually, -1 order light is used as the diffracted light.

条件式(13)のほかに、 が満たされれば、導波光は基板方向のみに出射され、空
気中へは出射されないので、大きな効率が得られる。
In addition to conditional expression (13), Is satisfied, the guided light is emitted only in the direction of the substrate and not emitted into the air, so that a large efficiency can be obtained.

格子間隔Λは、m=−1とし、θ=30度とすると、次
で与えられる。
The lattice spacing Λ is given as follows, where m = −1 and θ = 30 degrees.

一例を挙げると、基板1として、ns=2.177のLiNbO3
を用い、光導波路2を、Tiの熱拡散により作製してN=
2.187とし、光源としてλ=0.78(μm)の半導体レー
ザを用いたとすると、Λ=2.59(μm)となり、フォト
リソグラフィ技術を用いて十分作製可能である。また、
このとき条件(14)も満足されるので、導波光は、基板
方向のみに効率よく出射させることができる。
As an example, as the substrate 1, LiNbO 3 with n s = 2.177
The optical waveguide 2 is manufactured by thermal diffusion of Ti using
Assuming that 2.187 is used and a semiconductor laser of λ = 0.78 (μm) is used as a light source, Λ = 2.59 (μm), which can be sufficiently manufactured using photolithography technology. Also,
At this time, since the condition (14) is also satisfied, the guided light can be efficiently emitted only in the substrate direction.

また、基板1として、ns=1.472のパイレックガラス
を用い、光導波路2として、スパッタリングで成膜した
屈折率1.544のコーニング7059ガラスを用いてN=1.520
とし、光源として、やはりλ=0.78(μm)の半導体レ
ーザを用いたとすると、Λ=3.18(μm)となり、やは
りフォトリソグラフィ技術を用いて十分作製可能であ
る。また、このとき条件(14)も満足されるので、導波
光を基板方向のみに効率よく出射させることができる。
Further, Pyrex glass with n s = 1.472 was used as the substrate 1, and Corning 7059 glass with a refractive index of 1.544 formed by sputtering was used as the optical waveguide 2, and N = 1.520
Assuming that a semiconductor laser of λ = 0.78 (μm) is used as the light source, Λ = 3.18 (μm), which can be sufficiently manufactured by using the photolithography technique. At this time, since the condition (14) is also satisfied, the guided light can be efficiently emitted only in the substrate direction.

以上のように、本発明のような光集積回路では、従来
のものに比して大きな効率を得ることができる。
As described above, in the optical integrated circuit according to the present invention, greater efficiency can be obtained as compared with the conventional one.

一方、前記のレーザ光波長ずれΔλ,実効屈折率のず
れΔN,レーザ光の光軸からのずれδが生じたときの収差
については、以下のようになる。
On the other hand, the aberration when the laser light wavelength shift Δλ, the effective refractive index shift ΔN, and the shift δ of the laser light from the optical axis occur are as follows.

第7図のように、δ=0のときの光線の伝搬方向をz
軸とするような左手系の直線直交座標系をとり、また、
光の出射点を原点としδ=0のとき光線が出射する方向
をz′軸とするような左手系の直線直交座標系をとる。
二つの座標系の原点は、一致させる。また、z軸および
z′軸はθの角をなしている。
As shown in FIG. 7, the propagation direction of the light beam when δ = 0 is z
Take a left-handed linear Cartesian coordinate system such as an axis,
A left-handed linear orthogonal coordinate system is used in which the origin of the light is the origin and the direction in which the light beam exits when z = 0 is the z 'axis.
The origins of the two coordinate systems are matched. The z axis and the z 'axis form an angle of θ.

まず、入射平行光がz軸からδだけずれた方向に入射
した場合、xyz系における位相整合条件は、 となる。ただしko=2π/λ、またPx,Py,Pzは出射ベク
トルのxyz系における成分である。xyz系とx′y′z′
系のベクトルは、変換 で結ばれるから、出射ベクトルは、x′y′z′系で
は、 となる。出射光の方向のz′軸となす角度をφとする
と、前記LiNbO3を基板として用いる例の場合、|δ|
0.01(rad)の範囲では、ほぼ|δ|〜φである。さら
に、基板と空気の境界面における屈折の効果により、空
気中ではφ〜2|δ|となる。すなわち、導波光は、z′
軸からほぼ2δ傾いた方向へ平行光として出射する。
First, when incident parallel light is incident in a direction shifted by δ from the z-axis, the phase matching condition in the xyz system is Becomes Here, k o = 2π / λ, and Px, Py, and Pz are components of the emission vector in the xyz system. xyz system and x'y'z '
The system vector is transformed Therefore, the output vector is, in the x′y′z ′ system, Becomes Assuming that the angle between the direction of the emitted light and the z ′ axis is φ, in the case of using LiNbO 3 as the substrate, | δ |
In the range of 0.01 (rad), it is approximately | δ | Further, due to the effect of refraction at the interface between the substrate and air, the diameter becomes φ〜2 | δ | in air. That is, the guided light is z ′
The light is emitted as parallel light in a direction inclined approximately 2δ from the axis.

集光レンズ14として、通常の光ピックアップ用対物レ
ンズを使用すれば、出射光が平行光であるためδが上記
のように十分小さければ、収差はほとんど問題にはなら
ないほど小さい。
When an ordinary objective lens for an optical pickup is used as the condensing lens 14, since the emitted light is parallel light, if δ is sufficiently small as described above, the aberration is small enough to cause almost no problem.

また、例えば、レンズの焦点距離を3mmとすれば、焦
点21は、δ〜0.01のとき約30μm移動するので、導波光
7を積極的にSAW(表面弾性波)光偏向器12で励振したS
AWを用いてδだけ偏向させることによって、第4図のよ
うに数トラック分のアクセスおよびトラッキング補正を
行うことができる。
Further, for example, if the focal length of the lens is 3 mm, the focal point 21 moves about 30 μm when δ to 0.01, so that the guided light 7 is actively excited by the SAW (surface acoustic wave) optical deflector 12.
By using AW to deflect by δ, access and tracking correction for several tracks can be performed as shown in FIG.

以上のように、グレーティングカップラの形状を直線
とすることで、導波光7の光軸zからの偏向に対して強
いピックアップ対物レンズ系を構成できる。
As described above, by making the shape of the grating coupler a straight line, a pickup objective lens system that is strong against deflection of the guided light 7 from the optical axis z can be configured.

一方、実効屈折率のずれΔN,レーザ光源の波長ずれが
生じた場合、出射光方向は、xz(x′z′)平面で角度
Δθだけずれる。ただし、出射光は、平行光である。そ
の大きさは、ほぼ と表せる。ΔN,Δλが単独で生じた場合、前記LiNbO3
基板として用いた例の場合、 である。屈折の効果を考慮すると、|Δθ|<0.01(ra
d)となる範囲は、 となり、これは、従来のものに比べて十分大きい値であ
る。
On the other hand, when the effective refractive index shift ΔN and the wavelength shift of the laser light source occur, the emitted light direction is shifted by an angle Δθ on the xz (x′z ′) plane. However, the outgoing light is parallel light. Its size is almost Can be expressed as ΔN, when Δλ occurs alone, in the case of using the LiNbO 3 as a substrate, It is. Considering the effect of refraction, | Δθ | <0.01 (ra
d) This is a value that is sufficiently larger than the conventional one.

以上のように、本発明の光集積回路では、グレーティ
ングカップラに直線形状の回折格子を用いているので、
かな大きなΔλ,ΔN,δが生じても、出射光が平行光で
あるため、高性能のピックアップ用対物レンズを用いれ
ば、発生収差を小さくさせることができる。
As described above, in the optical integrated circuit of the present invention, since a linear diffraction grating is used for the grating coupler,
Even if Δλ, ΔN, and δ are extremely large, the outgoing light is parallel light. Therefore, if a high-performance pickup objective lens is used, the generated aberration can be reduced.

〔実施例3〕 第9図は本発明の第3の実施例となる光集積回路を示
したもので、第9図(a)は断面図、第9図(b)は平
面図をそれぞれ示す。
Embodiment 3 FIG. 9 shows an optical integrated circuit according to a third embodiment of the present invention. FIG. 9 (a) is a sectional view, and FIG. 9 (b) is a plan view. .

図において、1は例えば屈折率2.177のニオブ酸リチ
ウム(LiNbO3)のごとき光学材料から成る基板、2は基
板より屈折率の高い光導波路で、この例ではニオブ酸リ
チウム基板上にチタンを蒸着し、チタンを熱拡散して約
1.5μmの光導波路を形成した。3′は光導波路上に形
成した等間隔の直線形状のグレーティングカップラで、
光導波路よりも屈折率の大きい光学材料で形成され、こ
の例では屈折率2.4のチタン酸化物(TiO2)膜を光導波
路上に形成し、リソグラフィによるパターン形成技術に
よりピッチ2.59μmの直線形状グレーティングカップラ
を光の進行方向に4mmにわたり形成した。22は光導波路
3上の回折格子3′の前方に設けられたレンズ手段で、
この例では光導波路2上に周知の技術で口径約2mmの透
過型フレネルレンズが形成された。なお、レンズの口径
は導波光の幅に等しいかそれより大とする。レンズとし
ては、その他バルクのレンズでもよいが、基板上に集積
化しコンパクトな構成とする上からフレネルレンズが好
ましい。23は基板表面と30度の角度に切断・研磨された
反射面からなる基板端面であり、この傾斜角は導波光7
の出射角度θに等しく形成されている。21は光の焦点f
である。また第9図(b)に示した導波光7はコリメー
トされた平行光である。
In the figure, 1 is a substrate made of an optical material such as lithium niobate (LiNbO 3 ) having a refractive index of 2.177, and 2 is an optical waveguide having a higher refractive index than the substrate. In this example, titanium is deposited on a lithium niobate substrate. Heat diffusion of titanium, about
An optical waveguide of 1.5 μm was formed. Reference numeral 3 'denotes an evenly spaced linear grating coupler formed on the optical waveguide.
It is formed of an optical material having a higher refractive index than the optical waveguide. In this example, a titanium oxide (TiO 2 ) film having a refractive index of 2.4 is formed on the optical waveguide, and a linear grating having a pitch of 2.59 μm is formed by a lithographic pattern forming technique. The coupler was formed over 4 mm in the light traveling direction. 22 is a lens means provided in front of the diffraction grating 3 'on the optical waveguide 3.
In this example, a transmission type Fresnel lens having a diameter of about 2 mm was formed on the optical waveguide 2 by a known technique. The aperture of the lens is equal to or larger than the width of the guided light. The lens may be another bulk lens, but a Fresnel lens is preferable because it is integrated on a substrate and has a compact configuration. Reference numeral 23 denotes an end surface of the substrate, which is a reflection surface cut and polished at an angle of 30 degrees with respect to the surface of the substrate.
Is formed to be equal to the emission angle θ. 21 is the focal point of light f
It is. The guided light 7 shown in FIG. 9B is a collimated parallel light.

ここで、回折格子を構成する酸化チタン(TiO2)の厚
み、フレネルレンズの焦点距離f及び口径Dについてさ
らに詳述すると、光ピックアップヘッドの対物レンズと
してフレネルレンズを用いる場合には開口数NA〜0.5と
しなければならない。このレンズの実質的な開口数は、
回折格子の開口数で決まる。いま、第9図(b)に図示
のように回折格子のx方向の開口長をLx,y方向の開口長
をLyとする。回折格子による出射光が基板1表面とθの
角をなす方向へ出射させるとき、フレネルレンズ22へ入
射する光線束の面積はLx cosθ×Lyである。例えば、本
実施例のようにθ=30度,f=2mmとすると、 Lx=2.30mm,Ly=1.15mm とする必要がある。このとき、フレネルレンズの口径D
は全光束をカバーするために である必要がある。
Here, the thickness of titanium oxide (TiO 2 ) constituting the diffraction grating, the focal length f of the Fresnel lens, and the aperture D will be described in more detail. When the Fresnel lens is used as the objective lens of the optical pickup head, the numerical aperture NA Must be 0.5. The effective numerical aperture of this lens is
It is determined by the numerical aperture of the diffraction grating. Now, as shown in FIG. 9B, the opening length of the diffraction grating in the x direction is Lx, and the opening length in the y direction is Ly. When the light emitted by the diffraction grating is emitted in a direction forming an angle of θ with the surface of the substrate 1, the area of the light beam incident on the Fresnel lens 22 is Lx cos θ × Ly. For example, if θ = 30 degrees and f = 2 mm as in this embodiment, it is necessary to set Lx = 2.30 mm and Ly = 1.15 mm. At this time, the aperture D of the Fresnel lens
Is to cover the entire luminous flux Needs to be

また、グレーティングカップラ3′から出射する光の
振幅はx軸方向にexp(−αx)の依存性をもって出射
する。ここでαを放射損失係数とよぶ。開口数を確保す
るためにはαLx1という条件が必要である。上記の例
の場合、 αの値は、基板1,光導波路2,グレーティングカップラ
3′の屈折率と厚みで決まる。上記のように、屈折率ns
=2.177のLiNbO3,光導波路2の屈折率N=2.187,グレー
ティングカップラの装荷層材料として屈折率ng=2.4のT
iO2を用いたとき、α〜0.4とするためには、TiO2の厚み
を約30nmとすればよい。
The amplitude of the light emitted from the grating coupler 3 'is emitted in the x-axis direction with a dependency of exp (-. Alpha.x). Here, α is called a radiation loss coefficient. In order to secure a numerical aperture, a condition of αLx1 is required. In the above example, The value of α is determined by the refractive index and thickness of the substrate 1, the optical waveguide 2, and the grating coupler 3 '. As described above, the refractive index n s
LiNbO 3 = 2.177, refractive index N of the optical waveguide 2 = 2.187, and T of refractive index ng = 2.4 as a loading layer material of the grating coupler.
When iO 2 is used, the thickness of TiO 2 may be about 30 nm in order to set α to 0.4.

再び、第9図(a),(b)に示す構成の光集積回路
の説明に戻り、各光学系のパラメータについて検討す
る。
Returning again to the description of the optical integrated circuit having the configuration shown in FIGS. 9A and 9B, the parameters of each optical system will be examined.

ここで、光源(この図では省略)のレーザ光の波長を
λ,光導波路2の実効屈折率をN,基板1の屈折率をns,
等間隔直線形状のグレーティングカップラ3′の格子間
隔をΛとする。
Here, a light source wavelength of the laser beam (FIG omitted in) lambda, the effective refractive index of the optical waveguide 2 N, the refractive index of the substrate 1 n s,
The lattice spacing of the equally-spaced linear grating coupler 3 'is denoted by Λ.

グレーティングカップラ3′によって出射させられた
光の入射方向と、基板端面の研磨面23の法線方向となす
角度をφとすると、 ns sinφ>1 ……(22) のとき全反射が起こる。本件実施例の場合、ns=2.177,
φ=30(度)なので全反射が起こる範囲式(22)に含ま
れている。
Assuming that the angle between the incident direction of the light emitted by the grating coupler 3 'and the normal direction of the polished surface 23 of the substrate end surface is φ, total reflection occurs when n s sin φ> 1 (22). In the case of the present embodiment, n s = 2.177,
Since φ = 30 (degrees), it is included in the range expression (22) in which total reflection occurs.

次にフレネルレンズ22の焦点距離をfとし、フレネル
レンズの中心を原点として第9図(b)のような座標系
をとる。フレネルレンズの形状式は、 で与えられる。このフレネルレンズは光軸に関し軸対称
であるから、収差の最低次数は3次である。3次の波面
収差関数は、例えばMeierの文献、J.Opt.Sco.Amer.,Vo
l.55,No.8(1965)の987頁から992頁において論じられ
ているように次式となる。
Next, the focal length of the Fresnel lens 22 is f, and a coordinate system as shown in FIG. The formula of the Fresnel lens is Given by Since this Fresnel lens is axially symmetric with respect to the optical axis, the lowest order of aberration is the third order. The third-order wavefront aberration function is described in, for example, Meier's reference, J. Opt. Sco. Amer., Vo
As discussed in l.55, No. 8 (1965), pp. 987-992,

ただし、x=rcosθ,y=rsinθとして極座標で表示し
た。またλ′は実際の光源の波長である。
Here, x = rcosθ and y = rsinθ were displayed in polar coordinates. Λ ′ is the actual wavelength of the light source.

本実施例の場合、5次以上の収差を十分小さいとして
無視し、マレシャル条件を満たすΔn,Δλ,δの許容上
限値を求める。すなわち、|Δn|,|Δλ|,|δ|の上限
値は次式となる。
In the case of the present embodiment, the fifth-order and higher aberrations are ignored as being sufficiently small, and allowable upper limit values of Δn, Δλ, and δ that satisfy the Marechal condition are obtained. That is, the upper limit of | Δn |, | Δλ |, | δ |

前述した従来技術の値と(25)とを比較すると、本実
施例の上限値となる式(25)は従来の集光作用を有する
グレーティングカップラより大幅に緩和されている。ま
た、従来の集光バルクレンズを用いたハイブリッド型集
光グレーティングカップラに対しては、|Δn|では若干
劣るものの、|δ|,|Δλ|に関しては改善されてい
る。式(25)の|Δλ|が許容されているならば、波長
λ=0.78(λm)の半導体レーザを用いたとき、実際の
波長変動は±4(nm)まで許容されるので、実用可能な
レベルとなる。また、|Δn|に関しても基板として屈折
率ns=2.177のLiNbO3を用い、実効屈折率N=2.187の導
波光7を用いるとき、実際の実効屈折率変動は0.0035で
あり、これは熱拡散や成膜など通常のプロセスでも十分
制御できるので問題はない。
Comparing the value of the prior art described above with (25), the expression (25), which is the upper limit of the present embodiment, is significantly relaxed compared to the conventional grating coupler having a light-collecting action. Also, although | Δn | is slightly inferior to that of a hybrid condensing grating coupler using a conventional condensing bulk lens, | δ | and | Δλ | are improved. If | Δλ | in the equation (25) is allowed, the practical wavelength variation is allowed up to ± 4 (nm) when a semiconductor laser having a wavelength λ = 0.78 (λm) is used. Level. Regarding | Δn |, when LiNbO 3 having a refractive index of n s = 2.177 is used as a substrate and guided light 7 having an effective refractive index of N = 2.187 is used, the actual effective refractive index variation is 0.0035, which is the thermal diffusion. There is no problem because normal processes such as film formation and film formation can be sufficiently controlled.

〔実施例4〕 第10図は本発明の第4の実施例を示す平面図、第11図
は側面図で、同図においてこの実施例に係る光ヘッド
は、誘電体またはガラス等の光学基板1の表面に形成さ
れた上記基板より屈折率の大な光導波路2とこの光導波
路2にレーザ光を注入する半導体レーザLDと、上記光導
波路2上に不等間隔曲線群の回折格子により形成され、
上記半導体レーザの出射光を上記光導波路2に導く入射
用グレーティングカップラ43と収差補正用の回折格子6
から成るコリメート手段と、上記光導波路2上に形成さ
れた等間隔直線群のグレーティングカップラ3′と同心
円群の回折格子から成るフレネルレンズ22の組により構
成され、上記光導波路2中を伝播してきたレーザ光(光
の進行方向を矢印で表示)を光導波路2外部の基板内に
出射角度θで出射しその端面23で全反射させ情報記録面
であるディスク(ここでは図示していないが、第4図の
15を参照されたい)上の一点に光束を集光させるフレネ
ルレンズ22と、フレネルレンズ22により光導波路2に導
かれたディスクからの反射光を、反射光の中心光軸を通
り光導波路2に垂直な平面に対して2対のほぼ対称な4
光束と成るよう4分割し集光するビームスプリッタ24a,
24dと、ビームスプリッタにより4分割さた情報記録面
(ディスク)からの反射光をそれぞれ受光して電気信号
に変換するホトダイオードから成る光検知器25,25′
と、集光グレーティングカップラとビームスプリッタの
間に形成され、表面弾性波によりレーザ光を偏向させる
ための表面弾性波発生用電極12とで構成される。なお、
ビームスプリッタ24a,24bを構成する回折格子は光の進
行方向に従ってその間隔が密となっている。また、基板
1,光検知器25,25′,半導体レーザLDなどは、例えばア
ルミニュウムなどの金属ステージ26上に載置される。
Embodiment 4 FIG. 10 is a plan view showing a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a side view, in which an optical head according to this embodiment is an optical substrate such as a dielectric or glass. An optical waveguide 2 having a higher refractive index than that of the substrate formed on the surface of the substrate 1, a semiconductor laser LD for injecting a laser beam into the optical waveguide 2, and a diffraction grating having a group of irregularly spaced curves on the optical waveguide 2. And
The incident grating coupler 43 for guiding the emitted light of the semiconductor laser to the optical waveguide 2 and the diffraction grating 6 for aberration correction
, A pair of equal-spaced straight-line grating couplers 3 ′ formed on the optical waveguide 2 and a Fresnel lens 22 composed of concentric groups of diffraction gratings, and propagated through the optical waveguide 2. The laser beam (the traveling direction of the light is indicated by an arrow) is emitted into the substrate outside the optical waveguide 2 at an emission angle θ, and is totally reflected by the end face 23 thereof. 4
(Refer to FIG. 15) A Fresnel lens 22 for condensing a light beam at one point above, and the reflected light from the disc guided to the optical waveguide 2 by the Fresnel lens 22 is transmitted to the optical waveguide 2 through the central optical axis of the reflected light. Two pairs of nearly symmetric 4
A beam splitter 24a that divides the light into four light beams and collects the light beams
24d and photodetectors 25 and 25 'each comprising a photodiode which receives reflected light from an information recording surface (disk) divided into four by a beam splitter and converts the reflected light into an electric signal.
And a surface acoustic wave generation electrode 12 formed between the condensing grating coupler and the beam splitter and deflecting the laser light by the surface acoustic wave. In addition,
The intervals between the diffraction gratings constituting the beam splitters 24a and 24b are narrowed according to the traveling direction of light. Also, the substrate
1, the photodetectors 25 and 25 ', the semiconductor laser LD, and the like are mounted on a metal stage 26 made of, for example, aluminum.

次に上記構成に基づく光ヘッドの動作について説明す
る。まず半導体レーザLDからのレーザ光は入射用クレー
ティングカップラ43及び収差補正用の回折格子6から成
るコリメート手段により光導波路2に導かれるとともに
平行光に変換される。ここで、入射用グレーティングカ
ップラ43と収差補正用グレーティング6の設計手法につ
いて述べる。上記した2つの回折格子を透過型のホログ
ラムと考え、LDの発散光を平行光に変換するための位相
伝達関数をそれぞれの回折格子について算出する。次
に、上記した位相伝達関数の波長依存性を調べ、波長変
化による回折角の変化を、それぞれの回折格子で相殺す
るように再度、それぞれの回折格子について位相伝達関
数を決定する。
Next, the operation of the optical head based on the above configuration will be described. First, the laser light from the semiconductor laser LD is guided to the optical waveguide 2 by a collimating means including an incident grating coupler 43 and a diffraction grating 6 for correcting aberration, and is converted into parallel light. Here, a design method of the incident grating coupler 43 and the aberration correcting grating 6 will be described. Considering the two diffraction gratings as transmission holograms, a phase transfer function for converting the divergent light of the LD into parallel light is calculated for each diffraction grating. Next, the wavelength dependence of the phase transfer function described above is examined, and the phase transfer function is determined again for each diffraction grating so that the change in the diffraction angle due to the wavelength change is canceled by each diffraction grating.

次に、上記コリメートされたレーザ光は光導波路2を
伝播して等間隔直線群のグレーティングカップラ3′に
より光導波路2外の基板1内に出射角度θ(この場合30
度)で入射し、基板端面23で全反射し、再度光導波路2
に入射し、これを透過してフレネルレンズ22により、光
束は図示されていないディスク上の一点に集光される。
Next, the collimated laser light propagates through the optical waveguide 2 and is emitted into the substrate 1 outside the optical waveguide 2 by the grating couplers 3 ′ of equal-spaced straight lines (in this case, 30 °).
), Totally reflected by the end face 23 of the substrate, and again
, And transmitted therethrough, and the light beam is condensed by the Fresnel lens 22 at one point on the disc (not shown).

上記半導体レーザLDで発光されたレーザ光は、ビーム
スプリッタ24a,24bを通過する際、フレネルレンズ22の
方向に伝播する場合にはブラッグ回折条件を満たさずビ
ームスプリッタ24a,24bにより回折されない。光ディス
ク上に集光したレーザ光は信号ピットの有無に応じて散
乱または反射される。ディスクにより反射されたレーザ
光(光路を示す矢印がこれより逆向きとなる)は上記直
線等間隔のグレーティングカップラ3′により再び光導
波路2内に導かれる。この導かれたレーザ光はビームス
プリッタ24a,24bにより上記レーザ光の進行方向の中心
光軸を通り光導波路2に垂直な平面に対して2対のほぼ
対称な4光束となるよう4分割され、この4分割された
レーザ光は基板1内にそれぞれ所定の角度で出射し、収
束レーザ光27a,27bとなってその端面28から出射しそれ
ぞれ4分割光検知器25,25′に送り出され、この光検知
器25,25′において電気信号に変換される。なお、ビー
ムスプリッタ24a,24bから基板1に出射される反射光の
出射角度は、それを構成する回折格子のピッチを所定値
に設定すれば一義的に設定できるものであり、また収束
レーザ光27の収束点つまり焦点は、回折格子の曲率を設
定すれば一義的に設定できる。
When the laser light emitted by the semiconductor laser LD passes through the beam splitters 24a and 24b and propagates in the direction of the Fresnel lens 22, it does not satisfy the Bragg diffraction condition and is not diffracted by the beam splitters 24a and 24b. The laser light focused on the optical disk is scattered or reflected depending on the presence or absence of a signal pit. The laser beam reflected by the disk (the arrow indicating the optical path is the opposite direction) is again guided into the optical waveguide 2 by the above-mentioned grating couplers 3 'at equal intervals. The guided laser light is divided by the beam splitters 24a and 24b into four pairs of substantially symmetric four light beams with respect to a plane passing through the central optical axis in the traveling direction of the laser light and perpendicular to the optical waveguide 2. The four-divided laser light is emitted into the substrate 1 at a predetermined angle, becomes convergent laser light 27a, 27b, is emitted from the end face 28, and is sent to the four-divided photodetectors 25, 25 ', respectively. The light is converted into an electric signal in the light detectors 25 and 25 '. The angle of the reflected light emitted from the beam splitters 24a and 24b to the substrate 1 can be uniquely set by setting the pitch of the diffraction grating constituting the reflected light to a predetermined value. Can be uniquely set by setting the curvature of the diffraction grating.

表面弾性波を用いた光偏向器12は、本質的なものでは
ないが、印加する音波の周波数を変化させることで、光
導波路内を透過する導波光を容易に偏向することがで
き、光路位置決めの微調整に有効である。
The optical deflector 12 using the surface acoustic wave is not essential, but by changing the frequency of the applied sound wave, the guided light transmitted through the optical waveguide can be easily deflected, and the optical path positioning is performed. It is effective for fine adjustment of.

第12図,第13図及び第14図は上記光検知器25,25′を
それぞれ4分割フォトダイオード25FA,25FB,25′FA,2
5′FB,25TA,25TB,25′TA,25′TBで構成した場合の、受
光器25,25′面上の集光スポット29F,29′F,29T,29′T
とグレーティングカップラ3′を出射したレーザ光の焦
点位置との関係を示したものである。つまりレーザ光の
焦点が光ディスク15の面上にあるかどうか、いわゆるフ
ォーカシングエラー信号検出の原理を示したものであ
る。第12図は合焦点の場合、第13図は光ディスク15が焦
点の前にある場合、そして第14図は光ディスク15が焦点
の後にある場合である。光ディスク15面上の記録情報
は、各フォトダイオード25FA,25FB,25′FA,25′FB,25T
A,25TB,25′TA,25TB′の出力をそれぞれPFA,PFB,PFA′,
PFB′,PTA,PTB,PTA′,PTB′とすると、その和PA+PB+P
A′+PB′+PTA+PTB+PTA′+PTB′により読み出せ
る。集光グレーティングカップラを出射したレーザ光の
焦点がディスク15の面上にあるかどうかのフォーカスエ
ラー信号は(PFA+PFB′)−(PFB+PFA′)により得ら
れる。また、トラッキングエラー信号は(PTA+PTB)−
(PTA′+PTB′)により得られる。このように、4分割
したフォトダイオードA,Bにおける集光スポット29F,29
T,29′F,29′Tの結像点が受光面上を移動することを利
用して、焦点誤差検出信号,トラッキング誤差検出信号
が得られる。
FIGS. 12, 13 and 14 show the photodetectors 25 and 25 'divided into four photodiodes 25FA, 25FB, 25'FA, 2 respectively.
Focused spots 29F, 29'F, 29T, 29'T on the receiver 25, 25 'surface when composed of 5' FB, 25TA, 25TB, 25 'TA, 25' TB
And the focal position of the laser light emitted from the grating coupler 3 '. That is, it shows whether the focus of the laser beam is on the surface of the optical disk 15, that is, the principle of so-called focusing error signal detection. FIG. 12 shows the case where the focus is on, FIG. 13 shows the case where the optical disk 15 is before the focus, and FIG. 14 shows the case where the optical disk 15 is after the focus. The information recorded on the surface of the optical disk 15 includes the photodiodes 25FA, 25FB, 25'FA, 25'FB, 25T.
A, 25TB, 25'TA, 25TB 'respectively P FA to output, P FB, P FA',
If P FB ′, P TA , P TB , P TA ′, P TB ′, the sum P A + P B + P
It can be read by the A '+ P B' + P TA + P TB + P TA '+ P TB'. Whether the focus error signal focus of the laser light emitted from the light condensing grating coupler is on the surface of the disk 15 (P FA + P FB ') - are obtained by (P FB + P FA') . The tracking error signal is ( PTA + PTB )-
( PTA '+ PTB '). As described above, the light-converged spots 29F and 29F on the photodiodes A and B divided into four parts
A focus error detection signal and a tracking error detection signal are obtained by utilizing the fact that the imaging points of T, 29'F, and 29'T move on the light receiving surface.

次に本発明の光ヘッドにおけるビームスプリッタ24の
作製法について具体的に説明する。ビームスプリッタ24
は上記光導波路2上に不等間隔曲線群の回折格子を形成
したものであるが、この回折格子の形状方程式は、平面
波と上記光検知器25,25′に収束する球面波のホログラ
ムとして得られる。すなわち、座標軸x,yを第10図に示
したようにとれば1対のビームスプリッタ24aはy軸に
対して対称なので、x≦0におけるビームスプリッタの
形状方程式のみを示せば である。ここでNは光導波路2の実効屈折率,nは基板1
の屈折率,mはそれぞれの曲線を示す整数で、本実施例に
係る式(26)ではx=y=0の点を通る曲線がm=0と
なるようこの式を導出した。またfは焦点距離、λ
レーザ光の真空中での波長、θとψはそれぞれレーザ光
の収束点と原点とを結ぶ直線x−y平面となす角および
この直線をx−y平面に射影した直線がy軸となす角で
ある。式(26)で表される曲線群よりなる回折格子は、
前述のとおり電子線描画装置を用いてパターニングし、
公知のエッチング技術により作製した。この実施例で
は、TiO2からなる回折格子で、平均格子間隔(ピッチ)
3μm、ビームスプリッタの長さL=1.6mmの1対のビ
ームスプリッタ24aを作製した。結像点が異なるビーム
スプリッタ24bの作製も同様である。なお、ビームスプ
リッタ24a,24bを構成する回折格子を形成するに際し、
電子線描画装置を用いてレジスト上にパターニングする
場合、一曲線の描画において電子線の照射量を段階的に
変化させ、これを略周期的に繰り返して全曲線を描画す
れば、各曲線の断面形状を鋸歯状に形成できる。このよ
うにパターニングしたレジストを用いてエッチングすれ
ば、その断面形状が鋸歯状の式(31)で表される曲線群
よりなる回折格子が得られる。
Next, a method for manufacturing the beam splitter 24 in the optical head of the present invention will be specifically described. Beam splitter 24
Is a diffraction grating of irregularly spaced curves formed on the optical waveguide 2. The shape equation of this diffraction grating is obtained as a hologram of a plane wave and a spherical wave converging on the photodetectors 25 and 25 '. Can be That is, if the coordinate axes x and y are as shown in FIG. 10, the pair of beam splitters 24a is symmetric with respect to the y-axis. It is. Where N is the effective refractive index of the optical waveguide 2 and n is the substrate 1
Is an integer indicating each curve. In the equation (26) according to the present embodiment, this equation is derived so that the curve passing through the point of x = y = 0 becomes m = 0. Further, f is the focal length, λ 0 is the wavelength of the laser light in a vacuum, θ and ψ are angles formed by a straight line xy plane connecting the convergence point of the laser light and the origin, and this straight line is formed on the xy plane. The angle formed by the projected straight line and the y-axis. The diffraction grating composed of the curve group represented by the equation (26)
Patterning using an electron beam lithography system as described above,
It was manufactured by a known etching technique. In this embodiment, the average grating interval (pitch) is a diffraction grating made of TiO 2.
A pair of beam splitters 24a having a size of 3 μm and a length L of 1.6 mm was prepared. The same applies to the production of the beam splitter 24b having different imaging points. In forming the diffraction gratings constituting the beam splitters 24a and 24b,
When patterning on a resist using an electron beam lithography system, the irradiation amount of the electron beam is changed stepwise in drawing one curve, and this is repeated substantially periodically to draw all the curves. The shape can be formed in a sawtooth shape. By etching using the resist patterned in this manner, a diffraction grating having a cross-sectional shape formed by a group of curves represented by Expression (31) can be obtained.

フォーカシングエラー信号の検出原理を示す第12,13,
14図からわかるように、フレネルレンズ22または対物レ
ンズ14の焦点上にディスクがない場合、このフレネルレ
ンズ22または対物レンズ14を介して再び光導波路2に入
射されたディスクからの反射光は平行光ではない。しか
し本発明の光ヘッドのビームスプリッタは、光導波路2
の面内でレーザ光を分割・集光する従来のコプレーナタ
イプの素子としてではなく、光導波路2外に4分割した
レーザ光を収束させる構成であるため受容角が大きく、
平行光でないレーザ光が入射した場合においてもブラッ
グ回折条件が満たされ有効に作用する。なお、その他の
製造プロセスについては実施例1と同様に行った。
12th, 13th, showing the principle of detecting the focusing error signal
As can be seen from FIG. 14, when there is no disc at the focal point of the Fresnel lens 22 or the objective lens 14, the reflected light from the disc that has entered the optical waveguide 2 again through the Fresnel lens 22 or the objective lens 14 is a parallel light. is not. However, the beam splitter of the optical head according to the present invention uses the optical waveguide 2
It is not a conventional coplanar type element that divides and condenses laser light in the plane of the above, but a configuration in which laser light divided into four outside the optical waveguide 2 is converged, so that the acceptance angle is large,
Even when a laser beam that is not a parallel beam is incident, the Bragg diffraction condition is satisfied and the laser beam works effectively. Other manufacturing processes were performed in the same manner as in Example 1.

〔実施例5〕 本第5の実施例では、実施例1で述べた集積光ヘッド
において、光導波路2の作製方法として光学損傷のしき
い値が高く、光偏向効率が高いプロトン交換光導波路を
用いた光集積回路に関するものである。
Fifth Embodiment In the fifth embodiment, in the integrated optical head described in the first embodiment, a proton exchange optical waveguide having a high threshold of optical damage and a high light deflection efficiency is used as a method of manufacturing the optical waveguide 2. The present invention relates to an optical integrated circuit used.

以下、上記のプロトン交換光導波路の作製方法を詳細
に説明する。
Hereinafter, a method for producing the above-described proton exchange optical waveguide will be described in detail.

xcutのLiNbO3結晶ウェーハの一面を使用レーザ光波長
λの1/10程度まで光学研磨する。なお、上記結晶基板の
遷移金属不純物濃度はできるかぎり小さいことが望まし
い。光学損傷しきい値は、基板内の遷移金属濃度たとえ
ば鉄(Fe)の濃度が1ppm程度の基板に対するものであ
り、現在市販されている高純度のLiNbO3基板では、Feの
濃度は0.05ppm程度であり、前記高純度LiNbO3基板を用
いれば光学損傷のしきい値は、約1桁上がることを確認
している。
One surface of the xcut LiNbO 3 crystal wafer is optically polished to about 1/10 of the used laser light wavelength λ. It is desirable that the transition metal impurity concentration of the crystal substrate be as low as possible. The optical damage threshold value is for a transition metal concentration in the substrate, for example, a substrate having a concentration of iron (Fe) of about 1 ppm. In a commercially available high-purity LiNbO 3 substrate, the concentration of Fe is about 0.05 ppm. It has been confirmed that the use of the high-purity LiNbO 3 substrate increases the threshold value of optical damage by about one digit.

基板は光学研磨後、トリクレン,イソプロピルアルコ
ール,エタノール,純水中で超音波洗浄を行い、次いで
窒素ブローして乾燥させた。
After optical polishing, the substrate was subjected to ultrasonic cleaning in trichlene, isopropyl alcohol, ethanol, and pure water, and then dried by blowing nitrogen.

次に上記基板に対しプロトン交換処理を行ったイオン
交換は石英製の容器内へ入れて行った。プロトン交換源
の弱酸としては、安息香酸をはじめとするカルボン酸
と、ピロリン酸等のリン酸がある。本発明においては安
息香酸と安息香酸リチウムの混合物を用いた。前記光導
波路内のLi+とH+の置換率xは安息香酸と安息香酸リチ
ウムの混合比Mと深い関係がある。ここでMは次式で定
義される。
Next, ion exchange in which the above-mentioned substrate was subjected to a proton exchange treatment was carried out in a quartz container. Weak acids of the proton exchange source include carboxylic acids such as benzoic acid, and phosphoric acids such as pyrophosphoric acid. In the present invention, a mixture of benzoic acid and lithium benzoate was used. The substitution rate x of Li + and H + in the optical waveguide is closely related to the mixing ratio M of benzoic acid and lithium benzoate. Here, M is defined by the following equation.

検討の結果xは、プロトン交換温度,プロトン交換時
間によらずMのみに依存することを確認した。前記最適
なxの範囲0.4<x<0.55とするためには、MをxcutLiN
bO3基板を用いるときには、Mを2.5とすればよいことが
わかった。そこで本実施例では石英容器中へ安息香酸リ
チウムを4.802g,安息香酸を178.605g入れて十分混合
し、245℃で5時間熱処理した。熱処理後、石英容器中
から取り出した基板をエタノール及び純粋で超音波洗浄
した。得られた光導波路の光学特性を調べるため、ルチ
ルプリズムで波長λ=633nmのHe−Neレーザ光を光導波
路内のy方向へ伝搬させたところ、光導波路は単一モー
ドであり、導波光の実効屈折率は、2.2642であった。ま
た光伝搬損失を通常の2プリズム法で調べた結果1dB/cm
という良好な値を得た。光学損傷のしきい値はHe−Neレ
ーザ光で750W/cm3という良好な値であった。
As a result of the study, it was confirmed that x depends only on M regardless of the proton exchange temperature and the proton exchange time. In order to set the optimum range of x to 0.4 <x <0.55, M is set to xcutLiN
When a bO 3 substrate was used, it was found that M should be set to 2.5. Therefore, in this example, 4.802 g of lithium benzoate and 178.605 g of benzoic acid were put into a quartz container, mixed well, and heat-treated at 245 ° C. for 5 hours. After the heat treatment, the substrate taken out of the quartz container was ultrasonically cleaned with ethanol and pure. In order to check the optical characteristics of the obtained optical waveguide, He-Ne laser light having a wavelength of 633 nm was propagated in the y direction in the optical waveguide by a rutile prism, and the optical waveguide was in a single mode. The effective refractive index was 2.2642. In addition, the light propagation loss was examined by the ordinary two prism method, and as a result, 1 dB / cm
Good value was obtained. The threshold value of the optical damage was a good value of 750 W / cm 3 with He-Ne laser light.

次に、前記プロトン交換処理を施した基板上に表面弾
性波励振用のくし形電極を作製した。本実施例のxcutLt
NbO3のZ方向伝搬の表面弾性波伝搬速度は3500m/sであ
り、中心周波数f0が300MHzとなるように、電極のピッチ
を2.9μmとした。f0=300MHzのときの偏向角は約30mra
dである。上記電極長L=2.8mmで対数Nは8である。
Next, a comb-shaped electrode for surface acoustic wave excitation was formed on the substrate subjected to the proton exchange treatment. XcutLt of this embodiment
The surface acoustic wave propagation velocity in the Z-direction propagation of NbO 3 was 3500 m / s, and the electrode pitch was 2.9 μm so that the center frequency f 0 was 300 MHz. The deflection angle at f 0 = 300MHz is about 30mra
d. The logarithm N is 8 when the electrode length L is 2.8 mm.

得られた光偏向器の特性を調べるため、ネットワーク
アナライザを用いて放射コンダクタンスを測定し、実効
的な電気機械結合係数Kを測定し、プロトン交換処理を
行わないバルク基板上に作製したものと比較した。測定
の結果、実効的なKの値は本実施例のプロトン交換光導
波路上に作製した表面弾性波励振用電極の場合、バルク
基板上に作製したものの約70%であり大きな劣化は見ら
れなかった。参考のため、本実施例の条件で作製したプ
ロトン交換光導波路上に、z方向以外の方向へ伝搬する
表面弾性波の励振用電極を作製して同様の方法で実効的
なkの値を測定したところy方向伝搬のものはkの値が
小さいことがわかった。
In order to examine the characteristics of the obtained optical deflector, measure the radiation conductance using a network analyzer, measure the effective electromechanical coupling coefficient K, and compare it with the one fabricated on a bulk substrate without proton exchange treatment did. As a result of the measurement, in the case of the surface acoustic wave excitation electrode fabricated on the proton exchange optical waveguide of this example, the effective value of K was about 70% of that fabricated on the bulk substrate, and no significant deterioration was observed. Was. For reference, an electrode for exciting surface acoustic waves propagating in a direction other than the z-direction was fabricated on the proton-exchanged optical waveguide fabricated under the conditions of this example, and the effective value of k was measured in the same manner. As a result, it was found that the value of k was small in the case of propagation in the y direction.

〔実施例6〕 第15〜18図は本発明の第6の実施例を示す。ここで、
前述したように本発明における、半導体レーザ光を光導
波路内に入射させるためのグレーティングカップラとし
ては、光導波路上に形成した導波路形グレーティングが
用いられる。グレーティングカップラの構成材料として
は、TiO2,SiO2,Si−Nなどの誘電体を用いることができ
るほか、光導波路自体を溝加工してもよい。その断面形
状は、一般的には第15図に示すような矩形でも良いがこ
の場合、第15図における格子間隔Λに対するグレーティ
ングの幅Λaとグレーティングのない領域の幅Λbの比
すなわちΛa/Λbが1からずれた場合、半導体レーザ光
の光導波路に対する入射結合効率が低下するという問題
がある。これを解決する方法として、第16図に示したよ
うにグレーティングカップラの断面形状をブレーズ化す
る方法がある。ブレーズ化とは、グレーティングの断面
形状をほぼ三角形にすることであり、最も好ましい三角
形は直角三角形である。直角三角形の光導波路面となす
角度をブレーズ角αBAとしたときαBAは(27)式を満た
す角度であることが望ましい。
Embodiment 6 FIGS. 15 to 18 show a sixth embodiment of the present invention. here,
As described above, in the present invention, a waveguide grating formed on an optical waveguide is used as a grating coupler for causing a semiconductor laser beam to enter the optical waveguide. As a constituent material of the grating coupler, a dielectric such as TiO 2 , SiO 2 , or Si—N can be used, or the optical waveguide itself can be grooved. The cross-sectional shape may be generally a rectangle as shown in FIG. 15, but in this case, the ratio of the width of the grating Λa to the lattice spacing Λa in FIG. 15 and the width Λb of the region without the grating, that is, Λa / Λb, If it deviates from 1, there is a problem that the incident coupling efficiency of the semiconductor laser light to the optical waveguide is reduced. As a method of solving this, there is a method of blazing the cross-sectional shape of the grating coupler as shown in FIG. Blazing means making the cross-sectional shape of the grating substantially triangular, and the most preferable triangle is a right triangle. Assuming that the angle between the optical waveguide surface of the right triangle and the optical waveguide surface is the blaze angle α BA , α BA is desirably an angle satisfying the expression (27).

NcosαBA=ns(sinA0sinαBA+cosA0cosαBA) ……(27) αBA:グレーティングカップラのブレーズ角 A0:グレーティングカップラへのレーザ光の入射角 N :光導波路の実効屈折率 ns:光集積回路基板の屈折率 ここでΛとA0の関係は(28)式で表され、Λと半導体
レーザ光の波長λ(0)を定めることによりA0が定ま
り、(27)式よりαBAが定まる。αBAの具体例 としては、Λ=3μm,λ(0)=0.78μm,N=2.209,ns
=2.2の場合約14度となる。ブレーズ化グレーティング
カップラは一般的には、イオンミリング技術を行い、イ
オンを光集積回路形成用基板に対して斜めから入射させ
ることにより形成することができる。ブレーズ化グレー
ティングの作成誤差は、イオンミリング技術におけるイ
オンの入射角に依存するが、αBAが(27)式を完全に満
たさなくても、その効果は発揮される。例えば矩形断面
のグレーティングカップラの入射結合効果を1とした場
合、フレーズ化すると入射効率は2倍以上となり、仮り
にαBAの誤差が±10%あってもその入射効率に与える影
響は約10%程度低下するだけである。
Ncosα BA = n s (sinA 0 sinα BA + cosA 0 cosα BA) ...... (27) α BA: grating coupler blaze angle A 0: incident angle of the laser beam to the grating coupler N: effective refractive index of the optical waveguide n s : Refractive index of optical integrated circuit board Here, the relationship between Λ and A 0 is expressed by equation (28), and A 0 is determined by determining Λ and the wavelength λ (0) of the semiconductor laser light, and from equation (27) α BA is determined. Specific examples of α BA The, Λ = 3μm, λ (0 ) = 0.78μm, N = 2.209, n s
In the case of = 2.2, it is about 14 degrees. In general, a blazed grating coupler can be formed by performing an ion milling technique and causing ions to be obliquely incident on a substrate for forming an optical integrated circuit. The error in making a blazed grating depends on the angle of incidence of ions in the ion milling technique. However, even if α BA does not completely satisfy the expression (27), the effect is exhibited. For example, if the incidence coupling effect of a grating coupler with a rectangular cross section is 1, the incidence efficiency becomes more than twice when phrased, and even if the error of α BA is ± 10%, the effect on the incidence efficiency is about 10%. Only to a degree.

以上述べた光導波路への入射用グレーティングカップ
ラのブレーズ化の効果は、光導波路から基板内に回折ま
たは出射させるためのグレーティングカップラに対して
も同様にみられる。第17図は、断面形状が矩形のグレー
ティングカップラであるが、これを第18図に示すように
ブレーズ化することにより、基板への回折出射の効率が
飛躍的に向上する。この時の最適なブレーズ角α′
BAは、(29)式で与えられる。
The effect of the blazing of the grating coupler for incidence on the optical waveguide described above is similarly observed for the grating coupler for diffracting or emitting light from the optical waveguide into the substrate. FIG. 17 shows a grating coupler having a rectangular cross-sectional shape. By blazing the grating coupler as shown in FIG. 18, the efficiency of diffraction and emission to the substrate is dramatically improved. Optimal blaze angle α 'at this time
BA is given by equation (29).

NcosαBA′=ns(sinα0sinαBA′+cosα0cosαBA′) ……(29) α0:グレーティングカップラからのレーザ光の出射角あ
るいは回折角 グレーティングカップラの格子間隔Λ′とαの関係
は(30)式で表され、Λ′と半導体レーザ光の波長λ
(0)を定めることによりαBA′が定まる。
Ncosα BA '= n s (sinα 0 sinα BA' + cosα 0 cosα BA ') ...... (29) α 0: the lattice spacing of the exit angle or diffraction angle grating coupler of the laser beam from the grating coupler lambda' and alpha 0 Relationship Is expressed by equation (30), where Λ ′ is the wavelength λ of the semiconductor laser light.
By defining (0), α BA ′ is determined.

一般的に、先に述べたΛとΛ′は等しく、よってαBA
とαBA′は等しくなる。断面形状が矩形のグレーティン
グカップラの場合、光導波光の伝搬ベクトルと回折光の
伝搬ベクトルそれにグレーティングカップラの格子ベク
トルの関係がBragg条件を完全に満たすことができない
ために、高次の回折光(±2次以上)が生じ、結果的に
効率の高いグレーティングカップラとはならない。これ
に対してグレーティングカップラの断面形状をブレーズ
化することにより、一般的にBragg条件近傍での回折の
みがおこり、高次の回折光の発生が抑えられて、グレー
ティングカップラの効率は約2倍高くなる。αBA′の値
は、一般的には14度程度が適正であるが、先に述べたα
BAの場合と同様加工精度が±2度程度ばらついた場合に
もその効果はあまり低下しない。以上述べた様にグレー
ティングカップラをブレーズ化することにより、光導波
路への入出射結合効率を飛躍的に高めることができる。
なおグレーティングカップラのブレーズ化は、本願特許
請求の範囲1〜7の収差補正用グレーティングに対する
悪影響はない。
In general, Λ and Λ 'are equal, so α BA
And α BA ′ are equal. In the case of a grating coupler having a rectangular cross-sectional shape, the relationship between the propagation vector of the optical waveguide light, the propagation vector of the diffracted light, and the lattice vector of the grating coupler cannot completely satisfy the Bragg condition. Or more), and as a result, the grating coupler does not become highly efficient. On the other hand, by blazing the cross-sectional shape of the grating coupler, diffraction generally occurs only in the vicinity of the Bragg condition, and the generation of high-order diffracted light is suppressed, and the efficiency of the grating coupler is approximately twice as high. Become. In general, the value of α BA ′ is appropriate to be about 14 degrees,
As in the case of BA , even if the processing accuracy fluctuates about ± 2 degrees, the effect does not decrease so much. By blazing the grating coupler as described above, it is possible to dramatically increase the efficiency of coupling in and out of the optical waveguide.
The blazing of the grating coupler has no adverse effect on the aberration correcting grating of claims 1 to 7 of the present application.

〔実施例7〕 第19図は本発明の第7の実施例を示し、光集積回路と
従来の光素子であるバルクタイプの光学素子を組み合わ
せて構成した光ヘッドの光学系を示したものである。第
19図(a)は光学系を側面から見た図、、(b)は正面
から見た図である。第19図の光学系において、4は半導
体レーザからなる光源、31は半導体レーザから出た光を
コリメートするための集光レンズ、37′はモニタ用光検
出器、30は光導波路2上に形成したグレーティングカッ
プラ3,3′SAW光偏向器12収差補正グレーティング6,6′
より構成される本発明の光集積回路、32は偏光ビームス
プリッタ、33はλ/4板、14はレーザ光を微小スポット光
に絞り込むための絞り込みレンズ、35は光ディスクの面
ぶれ等に対して、光ディスクと対物レンズの距離が常に
一定に保持されるように対物レンズを上下動させるため
のボイスコイル、15は光ディスクである。光ディスクか
らの反射光はλ/4板を再び通り、その偏向方向が変えら
れ偏光ビームスプリッタで反射されて、凸レンズで集光
された後、ウェッジと呼ばれる三角プリズム36に導かれ
る。三角プリズム36で光は2分割されかつ方向を変えら
れ37の4分割光検出器に導かれる。光ディスクのトラッ
キングサーボのためのサーボ信号は37−1と37−2の和
と37−3,37−4の和との差から、フォーカシングサーボ
のためのサーボ信号は、37−1と37−4の和と37−2,37
−3の和との差から、ディスクの情報を取り出す再生信
号は、37−1,37−2,37−3,37−4の和から得ることがで
きる。この光ヘッドは、SAW光偏向器12でトラッキング
方向の光偏向を行うことができるため、ミクロトラッキ
ング速度が速い(ミクロシーク時間が短い)という特徴
を有する。また戻り光を光導波路に戻さないため、光利
用効率が高いという特徴を有する。
Embodiment 7 FIG. 19 shows a seventh embodiment of the present invention, and shows an optical system of an optical head constituted by combining an optical integrated circuit and a bulk type optical element which is a conventional optical element. is there. No.
19A is a diagram of the optical system viewed from the side, and FIG. 19B is a diagram of the optical system viewed from the front. In the optical system shown in FIG. 19, 4 is a light source made of a semiconductor laser, 31 is a condenser lens for collimating light emitted from the semiconductor laser, 37 'is a photodetector for monitoring, and 30 is formed on the optical waveguide 2. Grating coupler 3,3 'SAW optical deflector 12 aberration correction grating 6,6'
An optical integrated circuit according to the present invention, 32 is a polarization beam splitter, 33 is a λ / 4 plate, 14 is a focusing lens for narrowing laser light to minute spot light, and 35 is for optical disk surface shake and the like. A voice coil 15 for moving the objective lens up and down so that the distance between the optical disc and the objective lens is always kept constant is an optical disc. The reflected light from the optical disk passes through the λ / 4 plate again, its deflection direction is changed, reflected by the polarizing beam splitter, collected by a convex lens, and then guided to a triangular prism 36 called a wedge. The light is split into two by the triangular prism 36 and the direction of the light is changed and guided to 37 quadrant photodetectors. The servo signal for the tracking servo of the optical disc is the difference between the sum of 37-1 and 37-2 and the sum of 37-3 and 37-4, and the servo signal for the focusing servo is 37-1 and 37-4. And 37−2,37
From the difference from the sum of -3, a reproduction signal for extracting the information of the disc can be obtained from the sum of 37-1, 37-2, 37-3, 37-4. This optical head has a feature that the micro tracking speed is high (the micro seek time is short) because the SAW light deflector 12 can perform the light deflection in the tracking direction. Further, since the return light is not returned to the optical waveguide, the light utilization efficiency is high.

〔実施例8〕 第20図は本発明の第8の実施例を示し、第19図同様本
発明の光集積回路と従来の光素子であるバルクタイプの
光学素子を組み合わせて構成した光ヘッドの光学系を示
したものである。第20図(a)は光学系を側面から見た
図、(b)は正面から見た図である。第19図に示した光
ヘッドに対して第20図の光ヘッドは、光路変更用のガラ
スブロック(プリズム)24と絞り込みレンズ14およびボ
イスコイル35を他の光学系から分離した点が異なる。第
19図に示した光ヘッドは、マクロシークを行う場合、半
導体レーザを含むヘッド光学系全体を移動させる必要が
あったが、第20図に示したヘッドはガラスブロックと絞
り込みレンズおよびボイスコイルのみをコースフクチェ
ータ38に組み込んで動かすだけでマスクロシークができ
るようにした点に特徴がある。この結果、ヘッドの可動
部が小形,軽量となり、マクロシークの速度を向上させ
ることができる。結果として本ヘッドは、SAW光偏向器
と、ヘッド可動の小形,軽量化により、マクロシーク,
ミクロシーク時間を同時に短縮できるため、高速アクセ
ス光ヘッドとして有効な構成である。
[Embodiment 8] Fig. 20 shows an eighth embodiment of the present invention. As shown in Fig. 19, an optical head constituted by combining an optical integrated circuit of the present invention and a bulk type optical element which is a conventional optical element is used. 2 shows an optical system. FIG. 20 (a) is a diagram of the optical system viewed from the side, and FIG. 20 (b) is a diagram viewed from the front. The optical head shown in FIG. 20 differs from the optical head shown in FIG. 19 in that a glass block (prism) 24 for changing the optical path, a stop lens 14 and a voice coil 35 are separated from other optical systems. No.
The optical head shown in FIG. 19 needs to move the entire head optical system including the semiconductor laser when performing a macro seek, but the head shown in FIG. 20 uses only a glass block, a focusing lens, and a voice coil. The feature is that mass cross seek can be performed simply by incorporating and moving it in the course fukucheta 38. As a result, the movable portion of the head is small and lightweight, and the speed of macro seek can be improved. As a result, this head uses a SAW optical deflector and a small and lightweight head
Since the microseek time can be reduced at the same time, the configuration is effective as a high-speed access optical head.

〔実施例9〕 第21図は本発明の第9の実施例を示し、第20図の光ヘ
ッドを改良したものである。第21図(a)は光学系を側
面からみた図、(b)は正面から見た図である。第20図
のヘッドと異なる点では、光集積回路基板1の底面に切
りかけを設けた点であり、光ディスクからの戻り光をグ
レーティングカップラで入射させずに反射させて、該切
りかけから基板1の外に出して、光検出器で受ける点に
ある。グレーティングカップラでは、1/4λ板33がある
ため出射光と入射光の偏光方向が異なる。偏向方向が異
なった場合には、光導波路の実効屈折率Nが異なるた
め、戻り光はグレーティングカップラで結合されずに基
板内に全反射される。この方式は偏光方向の違いによる
グレーティングカップラの結合効率の差を利用したもの
であり、第20図の方式に比較して偏向ビームスプリッタ
が不要となる特徴を有する。
Embodiment 9 FIG. 21 shows a ninth embodiment of the present invention, which is an improvement of the optical head of FIG. FIG. 21 (a) is a diagram of the optical system viewed from the side, and FIG. 21 (b) is a diagram viewed from the front. 20 is different from the head of FIG. 20 in that a notch is provided on the bottom surface of the optical integrated circuit substrate 1. The return light from the optical disk is reflected by the grating coupler without being incident thereon, and the light is reflected out of the substrate 1 from the notch. And receive it at the photodetector. In the grating coupler, the polarization directions of the outgoing light and the incident light are different due to the presence of the / 4λ plate 33. When the deflection directions are different, the effective refractive index N of the optical waveguide is different, so that the return light is totally reflected into the substrate without being coupled by the grating coupler. This method utilizes a difference in coupling efficiency of the grating coupler due to a difference in polarization direction, and has a feature that a deflection beam splitter is not required as compared with the method in FIG.

〔実施例10〕 第22図は本発明の第10の実施例を示し、光磁気ディス
ク対応の光ヘッドを示したものである。本光ヘッドでは
戻り光の光路を行きと変化させることにより、グレーテ
ィングカップラにおいて戻り光が入射しないようにし
て、基板切りかけより光を出射させることを特徴として
いる。行きと戻りの光路の違いは例えば6′の収差補正
グレーティングの傾斜角を変化させたり、立ち上げプリ
ズムの角度を調整することに生じさせることができる。
グレーティングカップラ3′で反射した光は、39の1/2
λ板に入射して偏向方向を回転させた後、レンズ35で収
束光にして、偏光分離膜40を有した光検出器42にてTE,T
M偏光光毎にその光強度が検出される。フォーカスサー
ボ信号,トラッキングサーボ信号それに光ディスクピッ
ト信号は、4分割光検出器41,41分の和および/または
差信号より取り出すことができる。
Embodiment 10 FIG. 22 shows an optical head compatible with a magneto-optical disk according to a tenth embodiment of the present invention. The present optical head is characterized in that, by changing the optical path of the return light, the return light does not enter the grating coupler and the light is emitted from the substrate. The difference between the forward and return optical paths can be caused, for example, by changing the inclination angle of the 6 'aberration correction grating or adjusting the angle of the rising prism.
The light reflected by the grating coupler 3 'is 1/2 of 39
After being incident on the λ plate and rotating the deflection direction, the light is converted into convergent light by the lens 35, and TE, T is detected by the photodetector 42 having the polarization separation film 40.
The light intensity is detected for each M-polarized light. The focus servo signal, the tracking servo signal, and the optical disk pit signal can be extracted from the sum and / or difference signals of the quadrant photodetectors 41, 41.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、本発明の収差補正グレーティング
を設けることにより、光の波長変動に伴う、グレーティ
ングカップラの入出射結合効率の低下及び色収差などの
収差を防止でき、よってマルチモードの半導体レーザを
光源として用いた場合でも、特性変動の少ない光集積回
路を形成することができる。また、光利用効率が高く、
光学損傷のしきい値が高く、光偏向効率が高く、高速ア
クセスが可能で、しかもフォーカシングサーボ及びトラ
ッキングサーボ機構が有効に作用する範囲が広い光学式
ヘッド装置が得られる効果がある。さらに、本発明によ
る光集積回路は光ディスク装置用光ヘッドやレーザビー
ムプリンタ用光ヘッドをはじめ各種オプトエレクトロニ
クス部品に広く適用できる。
As described above, by providing the aberration correction grating of the present invention, it is possible to prevent a decrease in the coupling-in and out-coupling efficiency of the grating coupler and aberrations such as chromatic aberration due to a wavelength variation of light, and thus, a multimode semiconductor laser can be used as a light source. In this case, an optical integrated circuit with less characteristic fluctuation can be formed. In addition, light use efficiency is high,
There is an effect that an optical head device having a high threshold value of optical damage, high light deflection efficiency, high-speed access, and a wide range in which the focusing servo and tracking servo mechanisms can effectively operate can be obtained. Further, the optical integrated circuit according to the present invention can be widely applied to various optoelectronic components such as an optical head for an optical disk device and an optical head for a laser beam printer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明に係る光集積回路の一実施例を示す構成
図、第2,3図は本発明の光集積回路に用いる収差補正グ
レーティングの断面図、第4図は本発明の第1実施例を
示す光ディスク装置用光ヘッドの斜視図、第5図は本発
明の光集積回路の製造プロセス図、第6〜8図は本発明
の第2実施例を示し、第6図は集光素子をハイブリッド
一体化した光集積回路の斜視図、第7図は実施例の説明
に用いる直線直交座標系を示す斜視図、第8図は光偏向
器による光の偏向効果を表す斜視図、第9図は本発明の
第3実施例を示し、グレーティングカップラとフレネル
レンズを組合せた光集積回路であり、(a)はその断面
図、(b)は平面図、第10〜14図は本発明の第4実施例
を示す光ディスク装置用光ヘッドを示し、第10図は光集
積回路の平面図、第11図は同じく側面図、第12〜14図は
光ディスクの焦点誤差信号の検出原理を示し、第12図は
光ディスクが合焦点にある場合、第13図は光ディスクが
焦点の前、第14図は光ディスクが焦点の後にある場合を
示す平面図、第15〜18図は本発明の第6実施例を示し、
第15図は格子形状が矩形の入射用グレーティングカップ
ラの断面図、第16図は格子形状をブレーズ化した入射用
グレーティングカップラの断面図、第17図は格子形状が
矩形の出射用グレーティングカップラの断面図、第18図
は格子形状をブレーズ化した出射用グレーティングカッ
プラの断面図、第19図は本発明の第7実施例を示し、光
集積回路とバルクタイプの光学素子を組合せて構成した
光ヘッドの光学系であり、(a)はその側面図、(b)
は平面図、第20図は本発明の第8実施例を示し、光ディ
スクの情報を検出する対物レンズの部分を分離した光ヘ
ッドの光学系を示し、(a)はその側面図、(b)は平
面図、第21図は本発明の第9実施例を示し、光ディスク
からの反射光を再び光集積回路に戻すタイプの光ヘッド
光学系を示し、(a)はその側面図、(b)は平面図、
第22図は本発明の第10実施例を示し、光磁気ディスク装
置に用いる光ヘッドの光学系を示す側面図である。 1……基板、2……光導波路、 3,3′……グレーティングカップラ、 4……半導体レーザ、 5,5′……ガラスブロック、 6,6′……収差補正グレーティング、 7……導波光、8……基板、 9……SiO2、10……反射膜、 11……コリメートレンズ、12……光偏向器、 13……ガラスブロック、14……対物レンズ、 15……光ディスク、 16……集光ビームスプリッタ、 17,17′……ホトダイオード、 18……バッファ層、19……レジスト、 20……電子ビーム、21……焦点、 22……フレネルレンズ、23……端面、 24……集光ビームスプリッタ、 25,25′……光検出器、26……金属ステージ、 27……信号光、28……入射側端面、 29……反射光スポット、30……光集積回路、 31……集光レンズ、 32……偏光ビームスプリッタ、 33……λ/4板、34……立上げミラー、 35……ボイスコイル、36……三角プリズム、 37……4分割光検出器、37′……モニタ用光検出器、 38……コースアクチェータ、 39……1/2λ板、40……偏光分離膜、 41,41′……4分割光検出器、 42……光検出器、 43……グレーティングカップラ。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of an optical integrated circuit according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views of an aberration correction grating used in the optical integrated circuit of the present invention, and FIG. FIG. 5 is a perspective view of an optical head for an optical disk device showing an embodiment, FIG. 5 is a manufacturing process diagram of an optical integrated circuit of the present invention, FIGS. 6 to 8 show a second embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a perspective view showing an optical integrated circuit in which elements are hybrid-integrated, FIG. 7 is a perspective view showing a linear orthogonal coordinate system used for describing the embodiment, FIG. 8 is a perspective view showing a light deflecting effect by an optical deflector. FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention, which is an optical integrated circuit in which a grating coupler and a Fresnel lens are combined, (a) is a sectional view, (b) is a plan view, and FIGS. FIG. 10 shows an optical head for an optical disk device showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a plan view of an optical integrated circuit; Fig. 12 shows the principle of detecting the focus error signal of the optical disk, Fig. 12 shows the principle of detecting the focus error signal of the optical disk, Fig. 12 shows the optical disk being in focus, Fig. 15 to 18 show a plan view showing the case after the focal point, showing a sixth embodiment of the present invention,
FIG. 15 is a cross-sectional view of an incident grating coupler having a rectangular grid shape, FIG. 16 is a cross-sectional view of an incident grating coupler having a blazed grid shape, and FIG. 17 is a cross-sectional view of an output grating coupler having a rectangular grid shape. FIG. 18 is a cross-sectional view of an emission grating coupler having a blazed grating shape, and FIG. 19 shows a seventh embodiment of the present invention, in which an optical head is formed by combining an optical integrated circuit and a bulk type optical element. (A) is a side view thereof, (b)
FIG. 20 is a plan view, FIG. 20 shows an eighth embodiment of the present invention, and shows an optical system of an optical head in which a part of an objective lens for detecting information on an optical disk is separated, (a) is a side view thereof, and (b) FIG. 21 shows a plan view, FIG. 21 shows a ninth embodiment of the present invention, and shows an optical head optical system of a type for returning reflected light from an optical disk to an optical integrated circuit again, (a) is a side view thereof, and (b) Is a plan view,
FIG. 22 shows a tenth embodiment of the present invention and is a side view showing an optical system of an optical head used in a magneto-optical disk drive. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2, 2 ... Optical waveguide, 3,3 '... Grating coupler, 4 ... Semiconductor laser, 5,5' ... Glass block, 6,6 '... Aberration correction grating, 7 ... Guided light , 8 ... substrate, 9 ... SiO 2 , 10 ... reflective film, 11 ... collimating lens, 12 ... optical deflector, 13 ... glass block, 14 ... objective lens, 15 ... optical disk, 16 ... ... Condensing beam splitter, 17,17 '... Photodiode, 18 ... Buffer layer, 19 ... Resist, 20 ... Electron beam, 21 ... Focus, 22 ... Fresnel lens, 23 ... End face, 24 ... Condensing beam splitter, 25, 25 '... photodetector, 26 ... metal stage, 27 ... signal light, 28 ... incident side end face, 29 ... reflected light spot, 30 ... optical integrated circuit, 31 ... ... Condenser lens, 32 ... Polarization beam splitter, 33 ... λ / 4 plate, 34 ... Start-up mirror, 35 ... Voice Il, 36 ... Triangular prism, 37 ... 4 split photodetector, 37 '... Monitor photodetector, 38 ... Coarse actuator, 39 ... 1 / 2λ plate, 40 ... Polarization separating film, 41, 41 ': 4-split photodetector, 42: Photodetector, 43: Grating coupler.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 顕知 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 福島 貴子 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 芝 正孝 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 有本 昭 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Achichi Ito 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside the Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory Co., Ltd. (72) Takako Fukushima 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Inside Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory (72) Inventor Masataka Shiba 292, Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory (72) Inventor Akira Arimoto 1-280, Higashi-Koigabo, Kokubunji-shi, Tokyo Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体レーザを光源とし、半導体レーザの
出射光を光導波路に入射させる光集積回路において、 ブレーズ化されたレーザ光入射用グレーティングカップ
ラのブレーズ角が下式を満たす角度であることを特徴と
する光集積回路。 N cos αBA=ns(sin A0sin αBA+cos A0 cos αBA) αBA:レーザ光入射用グレーティングカップラのブレー
ズ角 A0:グレーティングカップラへのレーザ光の入射角 N:光導波路の実効屈折率 ns:光集積回路基板の屈折率
In an optical integrated circuit in which a semiconductor laser is used as a light source and light emitted from the semiconductor laser is made incident on an optical waveguide, the blazed laser light incident grating coupler has an angle satisfying the following expression. Characteristic optical integrated circuit. N cos α BA = n s (sin A 0 sin α BA + cos A 0 cos α BA ) α BA : Blaze angle of the grating coupler for laser beam incidence A 0 : Incident angle of the laser beam on the grating coupler N: Optical waveguide Effective refractive index n s : refractive index of optical integrated circuit board
【請求項2】半導体レーザ光を光源とし、光導波路内に
導波されたレーザ光をグレーティングカップラにより出
射させる光集積回路において、 ブレーズ化されたレーザ光の出射用グレーティングカッ
プラのブレーズ角が下式を満たす角度であることを特徴
とする光集積回路。 N cos αBA′=ns(sin α0sin αBA′+cos α0 cos αBA′) αBA′:レーザ光入射用グレーティングカップラのブレ
ーズ角 α0:グレーティングカップラへのレーザ光の入射角 N:光導波路の実効屈折率 ns:光集積回路基板の屈折率
2. An optical integrated circuit in which a semiconductor laser light is used as a light source and the laser light guided in the optical waveguide is emitted by a grating coupler, wherein the blaze angle of the grating coupler for emitting the blazed laser light is expressed by the following equation. An optical integrated circuit characterized by an angle satisfying the following. N cos α BA '= ns (sin α 0 sin α BA ' + cos α 0 cos α BA ') α BA ': Blaze angle of grating coupler for laser beam incidence α 0 : Incident angle of laser light to grating coupler N : Effective refractive index of optical waveguide n s : Refractive index of optical integrated circuit board
【請求項3】光源として半導体レーザ、半導体レーザか
らの放射光を平行光に変換するコリメータレンズ、音響
光学効果を有する誘電体基板上に形成した光導波路、該
光導波路に光を入射させるためのグレーティングカップ
ラ、光導波路上に形成した表面弾性波を利用した光偏向
器、偏向光を光導波路から出射させるためのグレーティ
ングカップラ、半導体レーザ光源の波長変動を補正する
ための収差補正グレーティング、光ディスク上に光を集
光するフォーカシング機構を備えたレンズを有する光学
装置において、 前記光ディスクからの反射光を基板底面に形成した切欠
き部を介して検出する光検出器を備えたことを特徴とす
る光学装置。
3. A semiconductor laser as a light source, a collimator lens for converting light emitted from the semiconductor laser into parallel light, an optical waveguide formed on a dielectric substrate having an acousto-optic effect, and a device for causing light to enter the optical waveguide. Grating coupler, optical deflector using surface acoustic wave formed on optical waveguide, grating coupler for emitting deflected light from optical waveguide, aberration correction grating for correcting wavelength fluctuation of semiconductor laser light source, on optical disk An optical device having a lens provided with a focusing mechanism for condensing light, comprising: a photodetector for detecting reflected light from the optical disc through a notch formed in a bottom surface of a substrate. .
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